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【格致论道讲坛】在细如面粉的月壤中,我们看到了一个从未有人见过的美丽微观世界|杨蔚
2022-09-07 | 作者:转自:格致论道讲坛 | 【 】【打印】【关闭

转自:格致论道讲坛  发布日期:2022-8-30

[video:格致论道_杨蔚_月壤]

  月球就像是一面镜子, 

  通过它, 

  我们看到的是我们自己。 

杨蔚· 中国科学院地质与地球物理研究所研究员

  亲爱的朋友们大家好,我是杨蔚,来自中国科学院地质与地球物理研究所。今天我分享的题目是《阅壤》,我将为大家介绍月球的历史,以及为什么嫦娥五号月球样品如此珍贵。

  如何做一名月球样品管理员 

  我所在的中国科学院地质与地球物理研究所是一个百年老所,最早可以追溯到1913年成立的中央地质调查所。而我所从事的研究行星科学却非常年轻,去年才被国务院学位委员会批准为一级学科,今年才被教育部列为本科招生专业。

 

  我们的魏勇副所长在格致论道上有一个演讲:《关于中国行星科学教育的未来》,大家感兴趣的话可以去了解一下。

  带我走进行星科学大门的是林杨挺老师。他是一个追星星的人,研究天体化学,也就是研究陨石。而我最初是研究地球的,能够进入林老师的团队纯属偶然。

 

  但是回过头来看,改变我们一生的,往往是这些偶然事件。这种偶然把我变成了月球样品管理员,管理着我们研究所申请到的月球样品。

 

  在14亿中国人中,我是那为数不多的、可以近距离接触月壤的人,我不仅可以“举头望明月”,我还可以“低头赏月壤”。能够研究自己国家的月壤,是一件极其幸运的事情。你需要在正确的国家,生在正确的时代,在正确的研究所,从事正确的研究。 

 

▲ 2021年7月12日,第一次拿到嫦娥五号样品 

  这是去年7月12日,我们第一次拿到嫦娥五号样品的那一刻。我就是最右边那个拎包的,包里面就是月球样品,那种激动和自豪终身难忘。

  行星科学,样品为王 

  我们为什么会这么激动呢?要知道:行星科学,样品为王。掌握了样品就掌握了前沿。 

 

▲左:天文观测 中:遥感或就位探测 右:采样返回 

  我们对地外天体的认识可以分为三个阶段:天文观测、遥感或就位探测、采样返回。通俗地说,就是远距离看看,近距离看看,带回家看看。而一旦我们把样品带回家,我们对这个天体的认识,就会发生质的飞跃。因为在实验室,可以用各种先进的技术给样品来个全方位的体检。这个时候,样品就像是一本历史书,能给我们讲述那个遥远星球上曾经发生过的故事。

 

▲月球岩浆洋 

  我们今天对月球历史的理解,几乎全部建立在月球样品的研究之上。最著名的例子就是月球的岩浆洋理论。它是说,在月球形成之初,表面曾经覆盖了几百公里深的岩浆的海洋。

 

▲1969年,科学家在阿波罗11号样品中发现了奇怪的物质 

  这样一个故事是怎么来的呢?让我们穿越回1969年。当时阿波罗11号载人登月并带回月球样品,之后科学家进行了详细的研究,很快就在里面发现了一种奇怪的物质,就是这种白白的斜长岩。这其实已经解决了一个长久以来的谜题:在很久很久以前,古人就发现月球上有黑色和白色的区域,他们的解释是月球上住着嫦娥和玉兔,那这些黑色就是嫦娥和玉兔的影子吧。

  后来人类发明了望远镜,看得更清楚了,月球上并没有什么嫦娥和玉兔。通过观察,人们认为,这黑色是因为地势比较低有海洋,因此被称为“月海”。而这白色是因为地势高,所以叫做“高地”。这样的名称一直沿用到了今天,尽管我们现在都知道月球上并没有海洋。那么这些黑色和白色的到底是什么呢?阿波罗11号已经给了我们答案:这黑色就是黑色的玄武岩,这白色就是白色的斜长岩。

 

▲行星圈层结构的形成 

  解决了一个谜题,但是也带来了新的谜题——斜长岩本身就是个问题。要理解这个问题,首先我们要知道什么是正常情况。在正常情况下,一颗行星形成之后,因为内部有一些放射性元素产生热,它会发生小规模的熔融。这种小规模的熔融会把铁质的、重的熔体聚集到核部,形成了金属核;而把这些轻的硅酸盐熔体喷发到了表面,形成了玄武岩的壳。我们可以看到,火星、金星和地球的大洋地壳都是玄武岩,而这样一个过程是不会形成斜长岩的,这就是月球奇怪的地方。

 

▲经典岩浆洋模型(1970) 

  怎么才能形成斜长岩呢?在1970年仅仅拿到样品半年之后,科学家就给了答案:那就是需要一个大规模的深达几百公里的岩浆的海洋。在这个岩浆海洋冷却的过程中,最开始会有一些重的矿物结晶出来,堆积在岩浆洋的底部。重点是这个过程到了60%-70%的时候,有一种白色的矿物,就是斜长石,它会结晶出来。因为斜长石的密度比较小,所以它会漂浮在岩浆洋的表面,这样一个过程就会形成我们今天看到的斜长岩月壳。这就是岩浆洋模型的由来。

  这样一个过程它也会产生另外一个效果:那就是当岩浆洋冷却到99%的时候,它最后那1%的岩浆会非常富含钾(K)、稀土(REE)和磷(P),把这些字母拼在一起就是克里普(KREEP)。克里普是月球上独有的现象,它为什么重要呢?因为它聚集了月球绝大部分的放射性生热元素,因此它就决定了月球是怎么冷却的。 

  岩浆洋只是一个例子,从月球形成的大撞击理论,到月球的火山活动停止,从生到死都跟月球样品的研究有关。这里的“死亡”是一种比喻,指这个星球失去了活力,没有火山活动了,磁场消失了,没有办法再抵御太阳风的侵蚀,大气开始逃逸,整个世界是一片死寂。

  为什么我们需要嫦娥五号 

  你可能会问:我们为什么要知道这些呢?理解了月球的历史跟我们有什么关系呢?其实,月球就像是一面镜子,通过它,我们看到的是我们自己。我们会看到我们地球早期也曾经遭受过同样的苦难,我们会理解恐龙的灭绝也许来自于一次偶然的小撞击,但这种偶然的背后蕴含着某种必然,我们也将看到我们地球的终点是什么样子。

 

▲月球演化历史:从出生到死亡 

  从这样一张月球演化图上,大家可能会发现一个问题:那就是我们并不确切地知道月球是什么时候死亡的。过去对于样品的研究,发现月球的火山活动最晚可以持续到28亿年前。但月球就死于28亿年前吗?答案是不一定。因为阿波罗和月球号并没有收集到月球最晚期的样品。

 

▲人类的10次月球采样任务 

  包括6次美国“阿波罗”号(APOLLO),苏联3次“月球”号(LUNA),以及中国嫦娥五号(CHANG'E-5)

  这是阿波罗和月球号完成的9次采样的采样点,大家可以看到它覆盖的面积非常有限。这就是为什么我们国家的嫦娥五号任务要继续到月球去采样,它的目的就是要去采集月球最晚期火山活动的样品。

 

▲撞击坑定年法 

  那你可能会问了,我们怎么会知道可以采集到月球上最晚期的样品呢?这就不得不介绍一种简单的判断月球表面年龄的方法——撞击坑定年法。当月球上一个表面形成之后,它会不断地遭受陨石的撞击,越早形成的区域遭受的撞击越多,撞击坑就越多,如图中右下角;形成越晚的区域,撞击坑就越少,如图中左上角。

 

▲最晚期的火山活动是否与克里普有关? 

  嫦娥五号选择的正是这样的一个月面上撞击坑最少的区域,左边这张图显示的就是撞击坑统计的结果,越红就是撞击坑越少。所以嫦娥五号的着陆点属于月面上最晚期形成的区域之一。右边这张图显示了嫦娥五号着陆点另外一个特点:就是它非常富含放射性元素钍。还记得我们前面介绍的富集放射性元素,它通常与克里普相关。

  根据这两张图,科学家就提出了一个假说:月球的克里普实际上是分布不均匀的,它主要就分布在月球正面风暴洋的这一小片地区,所以叫做风暴洋克里普地体。这个不均匀的分布会造成月球上绝大部分的放射性生热元素都集中在这个区域,而持续放热可以维持这个地方长期的火山活动。

  但是,这样一个假说却从来没有得到最晚期火山活动样品的验证,而我们嫦娥五号恰恰是要去采集这样的样品来验证这样的假说。

  总结一下就是说,如果我们能够拿到嫦娥五号样品,那么我们首先要做两件事:第一件就是定年,从而获得月球死亡的年龄;第二就是去分析它的成分,判断是否与克里普相关。 

  阅壤的困难与挑战 

  但是说起来容易,要做起来可不容易。因为我们收集到的是月壤,可以对标的任务是苏联的月球号,它也只收集到了月壤。跟阿波罗采集了很多石块相比,月球号所取得的成果非常有限。月壤的研究有两个方面的困难:第一,它很珍贵,花费了大量的人力、物力、财力,才收集这么一点点样品,那显然是尽可能不要用那些损耗样品的分析技术;另外一个特点它非常微细,平均粒度比我们的面粉还要细,这就意味着我们需要采用一些高精尖的显微技术。

 

▲月球号取得的月壤样品 

  不过,这样的困难有人早在18年前就已经预料到了,他就是我们研究所当时的所长丁仲礼院士。2004年1月,嫦娥工程立项,确立了“绕、落、回”三步走,这就意味着我们终将有一天会获得月球样品。而谁来迎接研究月球样品这个挑战呢?那一定是我们这些终日跟岩石和土壤打交道的地球科学的研究者。所以丁所长就觉得,这就是我们所的责任。

  而要解决这个问题,在当时是相当困难的,没有相关领域的人才,没有平台,没有技术。所以我们的策略也是三步走:聚人才、搭平台、研发技术

 

▲左:李献华院士 右:林杨挺研究员 

  首先,研究所引进了李献华老师和林杨挺老师。他们一个是做同位素年代学的,来解决定年的问题;一个是做天体化学的,来解决分析成分的问题。

 

▲左:离子探针  右:纳米离子探针 

  然后,我们所搭建了显微分析平台。通过十多年的时间,在这个平台上陆续研发出了多种的同位素分析技术,这些技术就是专门为定年和分析成分准备的。

 

  首先看一看我们要搭建什么样的平台。根据月壤样品的特点,我们不能去损耗它,所以我们要想办法用不损耗样品的方式,从样品中获得尽可能多的信息。所有的这些平台其实都可以想象成一个显微镜,它们的原理是类似的。你首先需要有一个源,这个源可以产生一束光、一束电子或者一束离子,然后照射在样品上;从样品中再激发出光、电子或离子,通过收集这些信号;我们就可以知道样品的形貌、结构和成分信息。

  在有了平台之后,我们要研发技术。这就像我们有了一辆车,它还不够快;有了一把枪,它还不够准。所以我们要对它进行一定程度的改进。

 

▲离子探针铀铅同位素定年技术 

  举一个例子:常规的离子探针定年的空间分辨率都是10微米。这样的分辨率对地球样品来说是足够了,但是对于月球样品是不够的。上面这张图显示的这些白色条状矿物,就是月球样品中的定年矿物。可以看到,它的宽度都是3微米甚至更小。如果我们用10微米的分辨率去定年,是做不出来的。所以我们需要把这个技术再往前提高一点点。

  别看只是从10微米提高到3微米,你可能想象不到这个困难,它要耗费几位工程师十年的青春。其它的平台也是一样的,比如说纳米离子探针、激光等离子体质谱等等。我本人也是因为研究所需要在纳米离子探针实验室研发分析技术,才偶然进入了林老师的团队。

  我记得我们实验室开张的第一天,那个时候所长已经是朱日祥院士了,他给我们说了一句话:你们实验室就是为嫦娥五号样品做准备。正是他这样一句话,一直激励着我们到现在。

 

▲矿物分选工程师马红霞:15年微细颗粒物操控,挑选制备600万颗,任意操控微米级单颗粒>100颗/小时。 

  十年如一日地研发技术是非常枯燥的,但有些工作可能更枯燥一些。这是我们所的马红霞老师,她的工作后来被证明非常重要。就是去挑选微细的颗粒物,这是我们进行月壤研究的第一步。

  因为我们首先要从非常微细的月壤中,把目标的颗粒给挑选出来。马老师做这样一个工作一做就是15年,挑选了不计其数的颗粒。在她的领域,她是毫无疑问的世界第一。

  除了枯燥以外,其实更难受的是心理上的一些担心和怀疑。常常有人会问我一个问题,你们能拿到月球样品吗?这个问题很尴尬,他不是在质疑嫦娥五号任务能否成功,而是在质疑我们研究所能否被分配到月球样品。如果我们真的将来拿不到月球样品,那么所有的一切努力都白费了。

  这给我们造成了很大的心理压力,也给工作造成了很大的困难。比如说,我们就很难申请到项目。每次申请项目的时候,评委都会问这样一个问题,如果我们的答案是不确定,那么这个项目就通过不了。

  所以,我要特别感谢中科院交叉创新团队项目。那一年我通过青促会推荐上去答辩,评委们问了一模一样的问题,我的回答仍然是不确定,但是他们最终还是资助了我。所以我特别感谢他们,那是真正的雪中送炭。据我所知,那可能也是中国历史上第一个资助嫦娥五号样品科学研究的项目。 

  另外一个困难就是,你的工作很难得到别人的认可。这就像一个士兵每天都在练枪法,但是没有机会打仗,而不打仗就不会有成果。如果不打仗,枪法练得再好,也是没有显示度的。

  所以,我们实验室有一位优秀的工程师,工作了8年最后离职了。他跟我谈的就是他感觉很迷茫,其实有时候我也感觉很迷茫,我也会去跟领导抱怨,这个工作没钱,留不住人,还往往看不到前途。

 

▲我国首次完成地外天体采样,人类44年来再次采回新的月球样品 

  但不管怎么样,我们最终还是熬到了2020年的12月17日,嫦娥五号成功返回了月球样品,举国欢腾。我们也特别激动,因为我们终于将知道样品会如何分配了。

 

  在5天之后,我们研究所就成立了一个由50个人组成的科研团队,由李献华老师带着我们做最后的准备和部署。大家可以看到,画面上的这些年轻的面孔,都是我们研究所在过去十年自主培养的。而这个时候的所长已经是吴福元院士了,就站在我们李献华老师的旁边。

 

  我们很快就制定了全部的流程和方案,而且非常有幸地进行了一次实战演习。我觉得这是一个百年老所特有的优势,因为我们所的博物馆竟然还保存了一份馆藏了50年的阿波罗月壤。我们就用这份只有166.9毫克的月壤进行了技术验证,花了2周时间。

  这就是为什么后来我们吴所长要求一周之内完成嫦娥样品的首批分析工作。他的逻辑是这样的,我们研究嫦娥样品的时候会激动得睡不着觉,所以把晚上的时间都算上的话,两周的任务一周应该可以完成。后来证明他的预测是对的,我们确实睡不着觉,而且也确实在一周完成了任务。

  我们在月壤中发现了什么? 

  时间终于来到了去年(2021年)的7月12日,第一批月球样品分发。我记得那天北京下着雨,我们从国家天文台取到样品之后,马不停蹄就回到了研究所开启动会。

 

▲2021年7月12日,上午启动会,下午处理样品 

  午饭之后,我们去实验室进行样品处理。林老师非要跟着我们去实验室里面,我们一起把样品倒出来。林老师要在显微镜下亲自看一下月壤,我就坐在他的旁边。他突然回过头对我说:这个实验室没有白建

  我沉浸在看到月壤的激动心情中,还没有能够理解他说这句话的含义。当我抬起头看到他眼中泛着泪光,我瞬间就明白了。他跟我一样背负着压力,这个实验室是他提议建的,我负责实施,我们俩一起找研究所要的钱。如果说我们没有能够拿到月球样品,这个实验室没有用上,我们就浪费了研究所的资源,没有办法给大家一个交代。所以,每当我回想起这个场景,我就会觉得虽然“没有白建”只有四个字,但是非常的沉重。

  后来的实验都非常的顺利,每个人的状态都像打了鸡血一样。这就像我们准备一场足球比赛,苦练了十年,当正式比赛开始的时候,没有人会计较得失、分析利弊,唯一所希望的就是能够把自己过去十年所学习到的技能全部发挥出来。你会觉得,只要能够让你上场,就是上天最大的回报。

 

▲左:第一个定年数据53小时 中:第一个氢同位素55小时 右:第一个锶同位素数据101小时 

  但无论准备多么充分,做工作都是需要一些运气的。最开始我们担心可能找不到定年矿物,这个担心一天之后就没有了。我们在第一天就找到了,然后第二天就获得了第一个年龄。整个7天下来,我们获得了100多个定年矿物。

 

▲左:第一个钕同位素数据148小时 中:白磷钙矿需要20微米,只找到了3颗 右:“颠覆性发现” 

  后来我们又担心找不到一种叫做白磷钙矿的矿物。它需要足够大,需要到20微米,才能做钕同位素分析,给我们提供一个关键的证据。这个还真是不太好找,到了第7天的时候,我们一共只找到了3颗,这个实验是最后完成的。

  我记得最后在分析数据的时候,有了新的发现非常的激动,实在忍不住就给我们吴所长发了一条微信,我说“颠覆性发现”,巴拉巴拉讲了一大堆,吴所长就回答了一个字:“好!”直到论文投稿,我们才从鸡血的状态中恢复过来。

  整个过程中,有两个团队一直跟着我们拍摄。最后他们跟我讲了同一个感受:你们太轻松了。这个时候我就会想起那句“鸡汤”,你必须非常努力,才能看起来毫不费力。往往人们只能看到你毫不费力的样子,却看不见你曾经遇到的困难和经受的痛苦。

 

▲从细如面粉的月壤中挑玄武岩颗粒 

  那我们到底获得了哪些发现呢?首先,我们从这些月壤、细如面粉的月壤中,挑选出了玄武岩颗粒。

 

  然后,在玄武岩颗粒中找到了定年矿物,对它进行了定年,结果是20.30±0.04亿年。这个结果就是说月球火山活动可以持续到20亿年前,相比于过去的样品所获得的月球火山活动结束时间28亿年前,要往后推迟了8亿年。有一种比喻是说我们给月球延寿了8亿年,这就是我们中国人给月球科学做出的贡献。 

  解决了一个问题,也产生了一个新的问题。月球是一个相对较小的天体,它理论上应该冷却得比较快,在25亿年以前就不会再发生火山活动了。但是嫦娥五号样品证明,月球火山活动可以持续到20亿年前。那么,它为什么会持续这么久呢?

  有很多可能的原因,但是我们首先去验证了两种最主流的假说:一种就是与克里普有关。因为克里普富含放射性生热元素,可能会造成这个地方特别的热,然后产生火山活动。另外一种是与水相关。因为岩石中的水含量高,它就会造成岩石的熔点低,也会产生火山活动。

 

▲左:与克里普无关,排除局部异常热 右:与水无关,排除局部熔点低 

  后来我们的研究发现,这两种假说都被排除了。左边这张图就是我们获得的钕同位素的结果,嫦娥五号的红色区域跟克里普的绿色完全不相关。右边这张图就是获得的水的结果,嫦娥五号的样品跟阿波罗相比其实更不富含水,所以第二种假说也被排除。

 

  总结一下,我们测定了一个年龄、排除了两个假说、发表了三篇论文,并且留下了一个问题。文章上线的那天,恰好是我们拿到月球样品的第99天,科学院举行了新闻发布会,我也发了一个朋友圈,很多的感慨,很多的发自肺腑的感激。

  因为我经常会这样去想这个问题,如果十多年前我没有能够偶然地进入林老师的团队,那么今天会是什么样子?很显然,结果不会有任何的改变,因为起决定性作用的是一个百年老所的精神传承,是领导们的远见,是前辈科学家们的推动和引领。而我能够参与进来,是偶然的,甚至可以说是受到了命运的眷顾。

  所以,不是我选择了做这件事,而是命运选择了我。在那一瞬间,我突然就理解了什么是责任感和使命感,当命运选择我的时候,我同时就背负了使命感和责任感。我必须全力以赴,才能对得起命运的眷顾。

  希望你能和我一样,欣赏到月壤之美 

  故事到这里还没有结束,因为我们留下了一个问题:月球长时间火山活动之谜还没有解开。有很多种可能的原因都还需要我们一一去验证。

 

  因此,我们又申请了第三批月球样品,这一次我们有了新的责任和使命。我们说月壤是一本历史书,它记录了月球的历史,但是对绝大多数人来说,它是一本天书既看不到,也看不懂。

 

  我们在研究月壤的过程中,看到了很多从未见过的现象,我们很激动、很兴奋。命运让我们看到这些现象,我们也就有了责任。这责任便是把这美丽的微观世界、这激动的心情、这读懂天书的喜悦,全都分享给大家。  

 
[video:《持有月壤的365天》中国科普博览微纪录片]
▲中国科普博览微纪录片《持有月壤的365天》片段

  我猜你一定很好奇,我们把月壤带回实验室之后是如何做研究的,需要哪些高人的帮忙,需要使用哪些先进的技术,会出现什么样的意外?为了回答这个问题,我们请中国科普博览给我们记录了全部的研究过程。它将以纪录片的形式,在今年(2022年)的9月10日独家发布,希望大家关注。

 

  另外一个问题是,你肯定会很好奇,我们到底看到了什么,才会感到如此惊叹和激动?为了回答这个问题,我们将联合中央美术学院实验艺术学院,举办国际首次月壤科技艺术展,把我们在科学研究过程中所获得的图像和数据进行科普化和艺术化呈现给大家,时间同样是2022年9月10日,地点在中央美术学院校史馆西厅。

  9月10日是个非常特别的日子,这一天既是教师节、也是中秋节、还是周末。在这个传统赏月的日子,让我们一起开启一次全新的赏月模式。我会在展览现场等着你,把我看到的世界分享给你。

  感谢中国航天局提供的月球样品,感谢中国科学院的资助,感谢中国矿物岩石地球化学学会科普工作委员会给我们的支持,感谢所有曾经关心和帮助过我们的人们,谢谢大家!

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