阿波罗计划带回的382千克样本，让科学家发现了什么

在美国宇航局约翰逊航天中心，阿波罗15号带回地球的一块月球岩石被保存了下来。这也是最大的一块，编号为15556。

1969年7月20日，美国宇航员尼尔·阿姆斯壮和巴兹·奥德林离开了阿波罗11号的登月舱，首次在月球表面留下了人类的足迹。1969年至1972年间，美国宇航局成功地完成了六次登月任务，不仅扩大了人类活动的范围，而且为天体研究提供了无尽的财富。

在阿波罗计划期间，宇航员从月球带回了大量岩石样本，重382公斤。在过去的59年里，美国已经向来自世界各地不同领域的145名科学家发送了月球岩石样本。经过对这些样本的深入研究，科学家们的发现极具颠覆性，可能会彻底改写月球甚至太阳系行星的进化史。

关于阿波罗计划，最令人兴奋的是人类第一次在月球上留下了脚印。但是在科学领域，它最大的贡献在于来自月球的岩石。长途航行的宇航员收集了大量不同的样本，并把它们带回地球。总共收集了382公斤的样本，包括岩石和月球土壤(月球表面的一层厚厚的物质，由破碎的岩石和灰尘组成)。称这些样品为珍宝并不过分。通过在实验室研究月球样品，我们建立了现代行星科学，这也为理解各种行星的地质演化过程提供了深刻的见解。

瑞安·齐格勒是美国宇航局阿波罗计划的样本主任。他说，在过去的50年里，美国国家航空航天局收到了3190份研究特殊月球样本的申请，至少有来自15个国家的500多名科学家参与其中。他还说，在过去几十年里，已经分发了5万多个特殊的月球样本，不同领域的145名科学家目前正在研究8000多个月球样本，涵盖天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学和地质学。

最重要的是，这些来自月球的岩石完全改变了我们对三个主要问题的理解:月球表面的性质、月球的起源和太阳系的演化。

管理员从不锈钢储物柜的气闸中转移阿波罗15号样品。管理员从不锈钢储物柜的气闸中转移阿波罗15号样品。

40亿年

在将登月舱和宇航员送上月球之前，我们对这颗天然卫星的理解主要是基于推测，因为它只停留在地球表面，严重限制了人们对月球的观察。

先前的研究已经证明，月球表面布满环形山应该是非常古老的，因为形成这么多环形山需要数十亿年的时间。当我们到达月球时，这也得到证实。当月球的岩石样本被带回地球时，地球化学家(如果行星化学家专注于研究系外行星的化学组成特征的话)分析了样本的同位素组成(同位素会在一段固定的时间内衰变，这一点科学家们很清楚)。结果显示，来自月球的样本比地球上大多数岩石都要古老，年龄从30亿年到45亿年不等。

后来，行星科学家建立了一套非常有用的模型，可以影响随后与月球或其他行星相关的研究。他们计算了阿波罗11号着陆点附近撞击坑的数量，并用这些数据来匹配相应地点的月球岩石年龄。匹配完成后，该模型可以确定月球表面撞击坑的形成速度。从阿波罗带回的样本就像地质领域中的罗塞塔石碑，建立了陨石坑数量和月球年龄之间的联系。现在，科学家可以在不到达现场的情况下估计月球(甚至其他行星)上任何位置的年龄。

在月球上收集的样本中，最老的一个与月球的年龄基本相似，大约有45亿年。由于板块构造存在于地球上，导致地壳不断循环，地球上的大多数岩石都比40亿年前年轻得多，而月球上不存在板块构造。因此，我们可以透过月球看豹，看到早期太阳系的古老岩石，甚至早期地球的岩石。在今年3月的一项研究中，科学家分析了从阿波罗14号带回的角砾岩样本，发现其中一个可能根本不属于月球。相反，这可能是40亿年前第一颗从地球飞出并意外降落在月球表面的陨石。几十亿年后，宇航员艾伦·谢泼德把它捡起来，带回了家。

月亮的起源

在阿波罗计划之前，科学家们对月球的形成过程进行了辩论。当然，争论的焦点还包括其他行星的卫星是如何形成的。也许地球捕获了另一颗太近的恒星。也许在它形成之初，地球的旋转速度太高，有一小块被抛出并与主体分离。也许地球和月球是同时形成的，并且都出生在“原行星盘”中，这个盘产生了太阳系中的所有行星。然而，在阿波罗计划之后，我们有了完全不同的理解。

阿波罗15号带回的样本15415被称为“起源石”，它帮助科学家提出关于月球起源的重要理论。

目前，描述月球起源的最流行的理论叫做大碰撞假说。这个假设是基于阿波罗计划期间收集的证据。据信，大约45亿年前，一颗火星大小的行星撞击地球，导致地球解体，部分地壳和地幔被喷射到太空。这个假想的星球叫做“忒伊亚”。最后，喷射出的物质和特伊亚的残余物混合在一起，合并成一颗恒星，冷却后形成了今天的月亮。

除了来自阿波罗岩石样本的大量证据外，还有许多个月的表面测试来支持这一推测。这些包括:

铁:月球上的铁缺乏非常严重。当时，阿波罗已经在月球表面进行了行星物理实验。结果表明，与其他类地行星相比，月球的内核体积非常小，仅占总半径的25%。这也意味着月球内核缺乏铁。也许，在大碰撞的时候，地球已经形成了一个铁芯，只在月球上留下了少量的铁。

干燥:月球上的样本非常干燥，几乎所有的挥发物都被去除了。易挥发是指低沸点元素或分子容易挥发，如水，二氧化碳，氮气和氢气。为了解释这一现象，一些科学家认为，大碰撞产生了巨大的能量和热量，将挥发从月球分离出来。

岩浆海洋:来自月球的样本使科学家们提出了大量有影响的假说，包括岩浆海洋假说，该假说认为月球早期被岩浆海洋覆盖。阿波罗11号的样本显示，月球高地(表面明亮的高海拔地区，而不是黑暗和下沉的月球海域)含有大量斜长石矿物，这些矿物可能是在大规模岩石融化中形成的。因为斜长石更轻，在熔体冷却过程中可以浮在顶部。月球探测器在其他地区也发现了这种岩石，所以它们在月球高地可能很常见。这可能表明当时岩浆层覆盖了月球的大部分表面，甚至可能完全覆盖。

然而，大碰撞假说由于一种新证据的出现而变得更加复杂，这种新证据也来自阿波罗收集的样本，它表明月球上各种同位素的组成非常特殊。在2001年和2012年，研究人员使用了一种叫做“激光氟化”的方法，发现地球和月球上钛和氧的同位素组成几乎相同。如果月球只是木卫一和地球的混合物，为什么它的同位素组成与地球相同？新的证据激发了新的想法。行星科学家西蒙·洛克和莎拉·斯图尔特在本期的另一篇文章《月亮的起源:岩石蒸汽中的重生》中描述了他们的“恒星合并”模型

颠覆太阳系

研究月球得出的结论也可以延伸到其他星球。也许其中最重要的是太阳系演化的尼斯模型(在法国尼斯提出，因此得名)。根据这个模型，太阳系外的大行星在形成的早期彼此非常接近。数亿年后，它们的轨道变得如此不稳定，以至于土星、天王星和海王星迅速向外扩展，并移动到它们当前的轨道位置。它们也离太阳越来越远。在移动到当前位置后，这些巨大的行星变得更加靠近太阳系外侧的柯伊伯带。结果，他们将这一区域的物质向内拉，导致陨石与太阳系的行星和卫星相撞，造成整个太阳系的混乱。

这个模型听起来可能有些牵强，但它优雅地解释了我们在宇宙中观察到的一系列现象。例如，通过测定阿波罗样本的年代和分析陨石坑的细节，科学家发现了一系列重要现象。当月球在7亿年前形成时，陨石对太阳系行星的灾难性撞击达到了顶峰，这也被称为“晚期大轰炸”。起初，科学家找不到简单的解释。很难解释为什么这一时期的影响达到了顶峰。尼斯的模型可以解决这个问题，而它预测的混沌碰撞周期就发生在这个时候。

除了告诉我们太阳系的演化，来自月球的样本也能帮助科学家研究行星表面的化学变化。“空间风化”是指在没有大气的情况下天体的物理和化学风化。在仔细分析了阿波罗计划的月球土壤样本后，科学家发现月球土壤由水泥、熔融玻璃和微粒撞击形成的矿物碎片组成。随着时间的推移，水泥可以占到成熟月壤成分的60%到70%。有一种微型金属铁球，也是太空风化的产物，叫做纳米铁。它可以聚集在月球土壤的外层，使表面变暗。现在，我们已经知道有许多因素可以导致太空风化，包括太阳辐射、温度的大幅波动和微陨石的持续轰击。

对于未来的样本

现在，月球研究迎来了另一个激动人心的时刻。就在今年，储存在美国的所有月球样本都将被公开，其中一些样本自50年前收集以来一直没有被启封。当阿波罗艰难地带回从月球上采集的岩石样本时，美国宇航局特意决定将其中一些密封起来，等待科学技术超越阿波罗时代，然后再进行进一步研究。

今年3月，阿波罗新一代样本分析项目(ANGSA)挑选了9个研究小组，并分配给他们从阿波罗15号、16号和17号上采集的样本，这些样本之前一直处于真空密封状态。研究“新”月球样本可能是一个全新的机会，让我们发现更多的基础理论，进一步了解自然卫星地球的形成和演化。

阿波罗15号、16号和17号任务中收集的五个样本

虽然我们已经从阿波罗带回的样本和月球表面测试中获得了很多信息，但新打开的样本仍将为我们提供罕见的信息。当然，我们也急需更多的样品。例如，我们没有月球远端、极地或月球深部的样本。我个人特别想要两个样本，一个来自月球南极的艾肯盆地，另一个来自极地火山口的冰。南极洲的艾肯盆地被认为是月球上最大的撞击盆地，也是太阳系最大的撞击盆地之一。盆地内部可能包含来自地壳甚至下个月地幔的物质。研究南极洲的艾肯盆地有助于我们理解这些巨型盆地以及它们如何影响行星体的表面和内部结构。如果将来极地的冰样本能带回地球，它不仅能告诉我们水的来源和年龄，还能让我们知道地球上的水来自哪里。

无论是通过载人飞行还是机器人，将来都有可能实现月球样本的愿望清单。至于哪个方案更好，行星科学家还没有达成共识。具体来说，一些科学家认为机器人比载人任务更便宜、更安全、更可持续。另一方面，人类比机器人更聪明，可以选择更多种类的更具地质意义的样本，阿波罗计划带回的样本就证明了这一点。

阿波罗计划代表了一项独特的成就，它从根本上改变了我们对太阳系的看法。在庆祝人类*50周年的同时，我们也应该意识到，自从1972年12月14日阿波罗17号任务完成以来，没有人踏上过另一个星球。作为一名受到这一使命鼓舞的科学家，我希望尽最大努力为我们这一代创造阿波罗时刻:在月球上再次看到人类，并带着智慧、坚定的信念和好奇心探索所有未知。