2020-12-17 20:51:14聖天使

嫦娥五號回家,中美競跑太空



(來源自公眾號:醋話集,作者: 醋醋,題圖來自:視覺中國)

1978年5月20日中午,晚春的北京開完最後一叢洋槐樹花,午氣中還殘留着一絲花香。

美國副總統專機「空軍二號」降落在北京機場,機上布熱津斯基透過舷窗看見黃華,不禁暗自高興。

黃華是時任中國外交部長,他親自接機表明這次訪問級別很高,兩國關係很有可能更進一步。

作為前美國總統卡特的國家安全事務助理,布熱津斯基此行目的只有一個:重啟尼克松下台後停滯不前的中美關係,儘快推動中美建交。


為表誠意,布熱津斯基還帶來兩件特殊的禮物——一面中國國旗與一顆岩石,它們都來自月球。

當時的中央領導認為,旗幟有沒有上過月球無從考證,岩石可以交給專業人士驗明正身。

中辦先是找到高教部,問大學裡面有沒有哪位教授能「鑒寶」,回答是沒有。然後又找到中國科學院,答案同樣是沒有。

不過後者補了一句,有個人專門研究天上的東西,也許他能試一試。


此人遠在貴陽,被中辦一個電話喊到北京,他打開裝着月球石的玻璃盒愣住了,樣品不到一粒黃豆大。

原來美國人用凸透鏡做玻璃盒,放大了形狀,看上去拇指大小的岩石其實只有一克。

他小心地把月球石剖成兩半,半克拿來做研究,半克送給了北京天文館珍藏。


通過四個月的分析,他帶領團隊寫出了14篇論文,礦物成分、結構構造、化學成分、微量元素、物理性質、產出環境……岩石的真身一一浮現出來。

他甚至推斷出這是由阿波羅17 號飛船採集來的樣品,在參考美國公布的數據後,他告訴美國人,你們這塊岩石的編號是70017-291。

美國人嚇了一跳,哎喲你們全知道了。




阿波羅17號採回的70017樣品,重2957克,美國將其中1克贈送給中國 | 月球與行星研究所(LPI)

他就是「嫦娥之父」歐陽自遠,「嫦娥」探月工程首席科學家。他當時一定不會想到,42年後的嫦娥五號,一次挖回來2公斤月球樣品。

一掃當年的窘迫。

12月17日凌晨2點,嫦娥五號的返回器降落在蒙古四子王旗草原,裡面2公斤月樣將向歐陽自遠敞開更多的秘密。




兩公斤月亮土特產回來了 | 新華社

對於中國這次探月行動,美國國家航空航天局(NASA)發了一條推特,期待中透露些許擔心被拒的幽怨:「你們到月球挖土,找到好東西要分享哦,別忘了人家當年的好處哦。」

月亮活着嗎?

從1969年到1972年,美國6次將12人送上月球挖土,「一鎬一鎬」挖回來361.7公斤月球樣品。


1971年「阿波羅15號」降落在月球上的亞平寧山,戴維·斯科特從月球車下來沒走幾步,就踢到一塊水晶,在白色與灰色之間輪轉,非常美麗。

同伴詹姆斯·歐文當時心有所感,仿佛這塊水晶正在那兒等待他們的到來。

他們認為這是原始月殼的一塊,至少有45億年歷史,並將其命名為「起源石」,這是阿波羅計劃帶回來最著名的月球樣品。




起源石,N1表示1英寸 | 月球與行星研究所(LPI)

後來經紐約州立大學石溪分校的科學家精準測定,「起源石」的準確年齡大約在41.5億歲,比預估的年輕了好幾億年。

阿波羅16號任務中獲得的一塊鈣長石擁有44.6億年的歷史,才是迄今地球上原生與天外最古老的石頭。

不過這塊石頭其貌不揚,也沒個好名字,僅被稱為「月球樣品」 67215,名氣比「起源石」差遠了。


地球上最古老的石頭 | 月球與行星研究所(LPI)

「阿波羅12號」指令長阿蘭·比恩是第4個登上月球的人,他曾在上面發誓:「如果我能回到地球,我將做自己喜歡做的事。」

比恩喜歡做的事是繪畫,他用混合了月塵的油彩繪畫,畫的全是他看過的月球景色,其中一幅「阿波羅精神」在其個人官網上售價高達433700美元。




醋醋更喜歡這幅「有人在那兒嗎?」原版不賣,Giclées畫廊出售簽名印刷版1100美元 | Giclées畫廊

當比恩毫不吝惜揮毫潑墨之際,歐陽自遠領銜的中科院地球化學研究所正圍着0.5克月球石忙碌,慎之又慎。

這後面還排着一串長隊等着做研究,中科院原子能研究所、中科院原子核研究所、中科院長春應用化學研究所、中科院高能物理研究所、冶金工業部昆明冶金研究所、石油工業部上海石油化工廠……

就算這次我們帶回來2公斤月球樣品,相比美國361.7公斤依然是小巫見大巫,美國人到底圖啥呢,難道真的是別人家的更香?


還得從當年美蘇太空爭霸說起,放衛星上天,加加林從太空看地球,蘇聯人贏得兩輪頭彩,讓美國急得不行。

1961年肯尼迪放下狠話,10年內美國必須搶在蘇聯人前面登月,「阿波羅」登月計劃從此正式開始。

這個任務過程很複雜,結果很簡單,只要送人到月球上走一走就算贏,至於落在月球哪裡根本不重要。


月球正面低緯度地區離地球近,為降低任務難度,美蘇航天器着陸點都在這個範圍內。

美國6次成功載人登月,着陸點位於南緯10°到北緯30°之間。蘇聯有三次無人探測器帶回樣品,着陸點在北緯0°到北緯12°之間。

1969年7月20日世界時20:17,阿波羅11號登月艙降落在月球上,着陸點約在北緯0°東經23°,阿姆斯特朗爬出艙門的時候,蘇聯月球15號剛好從他頭上掠過。




蘇聯月球15號飛過美國阿波羅11號登月艙上空

所以說,美國登月真假蘇聯人最清楚,世界各國都在38萬公里遠的地球看電視直播,蘇聯人卻是在月球上空眼巴巴望着。

月球15號是嫦娥五號的先驅,它在阿波羅11號發射前三天升空,希望搶先美國人登陸月球採樣返回,好讓蘇聯人挽回一點顏面。為了避免與阿波羅11號相撞,蘇聯還把月球15號的軌道參數透露給了美國。

然而天不遂人願,月球15號墜毀失事。蘇聯選的着陸點有問題,那片地方表面極其平坦,但是有重力增強,導致傳感器出現偏差,地面指揮月球15號下降,以為還在空中的時候,下一刻就撞在了地上。


它的遺願只能等到一年後的月球16號完成,其着陸點約在北緯0°東經56°,與阿波羅11號着陸點都在赤道上,東西相差23°,差不多697公里遠。

阿波羅11號落地區域叫「靜海」,月球15號落地區域叫「危海」,月球16號落地區域叫「豐富海」,它們都是意大利神學家喬萬尼·里喬利在1651年一拍腦袋取的名字。

「危海」重力增強,說明地下有高密度物質,形成了質量瘤,至於是什麼物質,只有留待以後深度鑽探才知道。




右邊那處窪地即是危海 | 攝影:鮑國全,《天文愛好者》2018年第11期

美國人將首次登月地點選在「靜海」而非「危海」,倒不是趨吉避凶,而是因為1968年美國五艘月球探測器在「危海」中心探測到了月球上最大的質量瘤,美國人感覺惹不起就閃了。

戰鬥民族的脾氣是不服就干,月球16號、20號在「豐富海」採樣返回成功後,蘇聯卯上了「危海」,誓要告慰月球15號的在天之靈。

1974年11月,月球23號在「危海」東南(北緯12.43°東經 62.12°)降落時因發生側翻而失敗;

1976年8月18日,月球24號在距上次躺倒的地方2.3公里處成功着陸,並帶回地球170克月表下方2米深處的月樣。

蘇聯人出了這口惡氣後,人類再無探測器登陸月球採樣,直到2020年嫦娥五號翩然而至。




美蘇月球採樣統計

美蘇月球採樣一共382KG,可都是無價之寶。2018年,紐約蘇富比拍賣行拍賣了3粒小型月球岩石,總重量為0.2克,最終以85.5萬美元成交。

以此計算,每克月球岩石的價格應該為427.5萬美元。以今天的人民幣對美元的匯率,兌換成人民幣大概為2796.7萬元。

當然月樣的價值不是金錢可以衡量的,美國對嫦娥五號採樣感興趣,主要還在於它的着陸點與眾不同,那裡遠離阿波羅和月球號採樣區,極可能存在與之前的樣品不同的岩石類型。




嫦娥五號着陸地區呂姆克山 | NASA

國家天文台研究員鄭永春介紹說:「每一個着陸點的選擇,其實是工程上的安全性、技術上的可行性,以及科學上的豐富性,以這三點共同考量。」

2018年中國地質大學(武漢)教授肖龍研究組發表了一篇論文,強烈建議嫦娥五號在呂姆克山東部的Em4地質區着陸,這裡約形成於12億年前,是呂姆克山及整個月球最年輕的區域。

醋醋看了新華社的報導,嫦娥五號着陸點在北緯43.1°西經51.8°,正好位於Em4地質區。




月球火山運動到32億年前就基本上結束了,美蘇着陸地區採集的月樣,年齡集中在44億至31億年前。嫦娥五號帶回來的將是距今最近一次的月球岩漿活動的樣品。

通過對這些樣品的研究,科學家可以試圖解釋月球,作為一個相對較小的天體,內部為何能夠存在如此長久的岩漿活動,從而可能提出新的月球內部演化模型,並為其他行星的演化過程提供參考。

2014年7月27日,《自然:地球科學》雜誌一篇論文聲稱月球仍然「活着」,其內部依舊存在熔融狀態,而非冷卻變硬。


論文來自一個由中國地質大學(武漢)、武漢大學、中科院國家天文台、日本國立天文台等機構的科研人員組成的國際研究小組,其研究結果和其他一些發生在月球上的活動,如深部月震和月球自轉不均勻變化等,都是觀點的有力支持。

嫦娥五號帶回來的月樣可能進一步支持或否定這個觀點,為人類提供完整的月球歷史,這將徹底改變我們對月球和太陽系的理解。


你說美國人能不眼饞嗎?

月亮濕了

在月樣研究上,美國曾經吃過一次大虧,付出的代價可能是在重返月球的賽道上當了兔子,漫無目的跑跑停停。

今年10月26日,NASA宣布「首次」在有陽光照射的月球表面發現水,全世界媒體蜂擁報道,只有俄媒潑來一盆冷水:「這事兒我們40多年前就曉得了。」

研究1976年月球24號從危海帶回的月球樣品,三位蘇聯科學家發現月球土壤大約包含0.1%的水,而更多的水出現在月球表面以下。

危海樣品採集於北緯12.43°,相當於地球的熱帶地區,常年被陽光照耀。


1978年蘇聯科學雜誌《地球化學》(Geokhimiia)發布了這項研究成果,論文署名為M.V.阿卡曼諾夫、B.V.迪米特夫和M.N.馬科夫。

由於樣本有限,外界難以重複實驗,再加上冷戰期間蘇聯與西方幾乎互不往來,導致這項重大發現幾十年內無人問津。

更讓美國人想哭的是,1976年美蘇為了緩和關係互換了1克月球岩石,蘇聯這1克就來自於170克危海樣品。坐擁361.7公斤月球樣品的美國人八成沒把這當一回事,隨手扔到了一邊沒有好好研究,否則何至於到現在才發現月球有水。


此次NASA在月球南半球的克拉維烏斯火山口發現了水分子,它們困在岩石晶體中無法逃逸,濃度為百萬分之100至412,相當於1立方米的土壤中,含有355毫升的水。這比危海樣品0.1%(百萬分之1000)的水少了一半多。

在月球找水的路上,170克 VS 361.7公斤,危海贏,果然危險的地方都藏有大機遇。

1998年與2009年,美國先後發射探測器,通過中子探測儀與3微米紅外波段探測,發現月球有水的間接證據氫,並繪製了月球南北兩極的水冰分布。




上圖顯示了月球南極(左)和北極(右)的表面冰的分布,由NASA的月球礦物學測繪儀繪製。圖像中藍色表示冰位置,灰度對應於表面溫度(較暗表示較冷區域,較淺表示較暖區域)

不過氫既可能是水也可能是羥基的組成,所以月球上的水還有爭議,此次NASA動用搭載波音747客機上的SOFIA望遠鏡,用6微米紅外波段終於看到了不同於羥基的水分子特徵,月球上有水才鐵板釘釘。

下一步,找出月岩、月壤中的水有哪些成因和賦存狀態,這是嫦娥五號帶回來的兩公斤月樣要解答的科學問題之一。

建設月球基地,水資源無比珍貴。人類的工作生活離不開水,水分解成氫氧,氧氣和水供人呼吸飲用、使植物生長,氫和氧還可作為火箭燃料,供飛船返回地球或前往火星或更遠的星際探險。


我們現在從地球向月球發射一升瓶裝水的成本為3.5萬美元,這個成本非常大。無法在當地取水,月球基地就很難維持下去,這也是為何在阿波羅計劃完成之後,美國喊了半個世紀重返月球建基地卻至今沒見到影子的重要原因。

現在好了,月球終於濕了,月球基地還會遠嗎?

事實上,2019年嫦娥四號在月球背面南極——艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內着陸,就是給未來的月球南極基地打前站。


月球兩極有些地方是永久性陰影區,溫度一般都在-163.15攝氏度,彗星隕石帶來的水分,或者它們撞擊羥基轉化的水分都被極低溫禁錮在隕石坑中,形成一個個深井冰,叫做「冷阱」。

在這裡,水不僅是結冰那麼簡單,還會硬得像一塊石頭,並且在長達10億年的時間內都被冰封在這裡。

這些冷阱超過一半(60%)位於月球的南半球,且大多數位於緯度超過80度的地區。科學家估計月球表面的冷阱加起來有超過40000平方公里的水冰,相當於安大略湖的兩倍。




月球上有很多深井冰

月球南極沙克爾頓環形山附近,有一個區域80%的時間處於陽光的照射之下,10公里外還有兩個區域,總共有98%的時間處於陽光的照射之下。而在不遠處就有一些冷阱,人類可以很方便地利用太陽能獲取月球儲存的冰資源。

這裡是建立第一個月球基地的理想區域。水資源保證了基地的長期運作,為進軍火星鋪路,還有利於開採月球上的「石油」氦-3,這是一種理想的核聚變原料,整個地球的儲量只有20噸,月球總儲量大約為100萬噸,可以滿足全球人類一萬年的能源需求。


雖然聯合國在1984年通過了《關於各國在月球和其他天體上活動的協定》,簡稱《月球協定》,規定月球及其自然資源是人類共同的財產,但幾個航天大國根本就沒把《月球協定》當一回事兒,簽約國都是些無望登月的小國。

基於「先來先得」放之四海皆準的規矩,對月球資源與空間的利用取決於誰更能建基地。

本來美國在這方面遙遙領先,阿波羅計劃完成後,下一步就是建設月球基地,但一來當時不確定月球有水,花費太大實際回報太小;二來蘇聯人跑不動已經下場休息,美國乾脆也拍拍屁股走人,玩航天飛機與空間站去了。


50年後,美國突然發現,這條賽道多了一名中國選手。

星辰大海

1994年1月25日,美國發射「克萊門汀」探測器再探月球,一大任務就是找水,奏響了人類重返月球的序曲。

眼看老司機有新動作,歐洲日本鬧着也要上車,當年5月31日~6月3日拉上美、俄在瑞士貝阿滕貝召開徵服月球研討會,計劃2015~2020年人類再次登上月球並在那裡建立月球基地。

月球似乎垂手可得,第二年這些國家又在德國漢堡召開了有關月球資源的會議,協調各方利益制定瓜分策略。

雖然中國沒有參加上述會議,但也有一個人在1994年開始深入規劃中國的探月工程,他提交了《我國開展月球探測的必要性與可行性》報告並獲得通過。

這個人就是歐陽自遠,自1978年研究了美國那半克月球石之後,登月的種子就在他的心中發芽。


歐陽自遠本來是學地質的,他在1952年考入北京地質學院(現中國地質大學),當時是為了響應新中國要成為一個工業國的召喚:年輕的學子們,你們應該喚醒沉睡的高山,讓它們獻出無盡的寶藏。

1957年蘇聯發射第一個人造地球衛星,歐陽自遠意識到通過衛星可以逐步把整個地球看清楚,以後找礦更容易,一下把他的視野從地下拉到了天上。


當時的中國沒有條件發射衛星,登月更是遙不可及,研究天上的東西只能從掉下來的隕石入手,歐陽自遠從此與這些黑乎乎的天外來客打上了交道。

1960年,歐陽自遠在地質所建立了天體化學與核子地球化學研究組,開啟了我國隕石系統研究,1976年吉林隕石雨給了千載難逢的研究場景,從此中科院都知道了有一個人專門做天上的東西,也就有了後來研究月球石的機會。

機會都是留給有準備的人。

在歐陽自遠看來,月球、火星等星球其實都是天上的地球,同樣需要人類的喚醒。


通過他的發起推動,從1994年到2003年,我國的登月計劃經歷了10年的預研準備,同時運載火箭、航天測控網、地面發射場都具備了發射探月衛星的條件。

2004年我國宣布正式啟動探月工程,採用家喻戶曉的「嫦娥」命名,分為繞、落、回三個階段,制定了2020年以前在月球採樣返回的目標,為以後的載人登月、建設月球基地打下基礎。

16年來,中國基本上按照原定計劃一步一步地完成了所有的階段目標。加上預研,中國的登月計劃走過了26年春秋。

嚷着要瓜分月球的歐美日,這些年來都在幹什麼呢?


首先他們都制定了宏偉的目標,歐洲航天局計劃在2020年將宇航員送上月球,日本計劃在2020年前在月球上建造進行科學研究的基地。

美國在2004年由小布什政府宣布「太空探索新構想」,並在此基礎上於2005年推出「星座計劃」,力爭在2015年讓美國宇航員重返月球,在月球建立基地。

甚至印度都計劃在2015年讓宇航員登上月球。

只有中國把目標定得很低,2020年實現無人探測器登月採樣返回就好。


他們開局也不錯,就在我國宣布探月工程的前一年,2003年歐洲第一個月球探測器「smart-1號」順利升空,日本第一顆繞月探測衛星「月亮女神」號於東京時間2007年9月14日發射,比嫦娥一號早40天。

然而結果現在大家也知道了,只有中國實現了在美俄之後從月球採樣返回,具備了下一步載人登月以及建設月球基地的基礎條件。歐洲日本印度吹過的牛全都泡了湯。

而美國重返月球也是幾經波折,先是民主黨奧巴馬把共和黨小布什的星座計劃砍掉,然後是共和黨特朗普上台發起「阿爾忒彌斯」計劃,要在2024年將美國宇航員送上月球並建立月球基地。


由於俄國財力有限,實際上在登月建立基地這條賽道上,只有中國與美國站在了一起。

那麼問題來了,嫦娥與阿爾忒彌斯這兩個東西月亮女神誰領風騷?

2024年剛好在特朗普的連任任期內,具有政治意義。然而特朗普已經下台,民主黨拜登更加關心氣候問題,「阿爾忒彌斯」計劃的前途也打上了一個大大的問號。


嫦娥五號之後,嫦娥六號計劃在月球南極進行採樣返回;嫦娥七號計劃執行月球南極綜合探測,包括地形地貌、物質成分等;嫦娥八號驗證能否採用3D打印技術,利用月壤建科研基地……中國馬不停蹄。

中國的探月工程也並非一帆風順,比如2017年就計劃送嫦娥五號上天,因為長征五號發動機爆炸,在確保萬無一失之後才於今年實現月球挖土。

嫦娥五姑娘能夠行雲流水地完成任務勝利返回,在於很多步驟之前已經由她的姐姐們試驗過了,只有幾個步驟是完全的「新題型」。

步步為營,穩紮穩打,堅定不移,慢就是快。




製作:haibaraemily 出品:科普中國

中國的航天工程主要體現了兩大原則:一是在能力不具備時要優先發展能力;二是在具備能力時要優先發展空間應用,讓太空的高度資源與星球的土地資源為我所用。前者比如北斗導航系統,後者體現為歐陽自遠從地質學的角度主導了嫦娥工程。

當然美國的航天能力依然是一頭猛虎不可小視,如果SLS能夠在2021年成功首飛,這種運載能力達到165噸超越土星五號的火箭,將大大推進美國重返月球的目標。


民間航天也是美國一大亮點,SpaceX正在研發的星艦,有效載荷最高可達150噸,飛船載人能力超過100人,遠超當前上限7人,目標是可重複使用返回,前往月球火星等外星着陸。雖然最近一次實驗SN8爆炸了,不過一旦成功就會改變人類航天規則。

甚至亞馬遜這樣的電商巨頭也進入航天領域,欲與SpaceX一決高低。

所以前幾天人民日報都有些着急,呼籲我國的互聯網巨頭別只顧着低頭撿六便士,而不能抬頭看月亮、展開贏得長遠未來的科技創新。

此外,美國國際空間站的經驗很多可以照搬到月球基地上。


總的來說,中國勝在整體計劃的系統周密與連續性,在火箭運載技術上有待加強;美國勝在多年來技術積累的優勢,但受政治干擾總是斷檔。

當年美蘇爭霸就好比百米短跑,一錘定音極具刺激性,這能讓美國上下一心以舉國之力與蘇聯競爭,一旦失去蘇聯這個對手,美國也就各回各家各找各媽。

中美之間形成的這種太空競賽,更像是一場馬拉松長跑,誰第一個建月球基地並不重要,重要的是長期穩定地持續下去,偏向於整體系統的工程能力,而非某個單項技術的突破,這方面中國人更具優勢。


無需妄自菲薄,我們的前方是星辰大海。

欒樹林

12月初的深冬早晨,天還沒亮透,林蔭道擠滿了車燈閃爍。

兩邊長有成排的欒樹,綠葉夾雜着紅色小葉猶如連串的燈籠,令人賞心悅目。

道路早早開始繁忙,因為它通向附近一所小學,司機們大多是送孩子上學的家長。

醋醋亦是其中一員,車內空調吐着暖氣,將冬寒擋在車外,坐在後排的菲菲突然問道:嫦娥五號去月球挖土有什麼用?

我想起1970年NASA《人類為什麼要探索太空》這封信,專門回答此類問題。


一位贊比亞修女寫信質問NASA,地球上還有這麼多吃不飽穿不暖的小孩,NASA怎麼捨得投入數十億美元探索火星。

NASA很認真地回了信,主要意思就是太空探索能夠激發出人類強大的創新精神,產生各種技術突破解決那些前所未有的難題。

技術突破不僅幫助科學探索,轉化成民用產品後,也極大地改變了我們的日常生活,如增產糧食比傳統方式解決饑荒高效得多,微波爐、購物計價的條形碼,甚至嬰兒穿的紙尿褲,都是來自於太空項目的發明。


這些答案都很好,但我認為NASA隱藏了主要事實,當時人類的太空探索並不是一項純粹的科學活動,而是美蘇爭霸的政治原因所致。

1970年正是火星計劃遭受美國國會質詢的關鍵時期,NASA對這封回信大張旗鼓不排除有公關嫌疑。

然而隨着蘇聯退出太空競賽,火星探索也就變得遙遙無期,這也說明NASA的答案更多是一種結果倒推,而非真正的原因。

反而是現在,人類的太空探索更加趨向於科學與應用的目的,那種政治掛帥的象徵性勝利變得並不重要。


其實1992年前後,國內就有人提出了「嫦娥奔月」的想法,希望在5年內用運載火箭往月球上發射一個象徵中國的鐵質標誌,永遠地將其「烙」在月球上,以迎慶1997年香港回歸,揚國威、鼓志氣。這個報告打到中央後很快就被否決了。

醋醋看了歐陽自遠與林文祝1995年發表的文章《重返月球》,通篇都是在講科學講應用。


NASA回信有一段話講得很好:

如果國家之間不再比拼轟炸機和遠程導彈,取而代之比拼月球飛船的性能,那將避免多少戰亂之苦!聰慧的勝利者將滿懷希望,失敗者也不用飽嘗痛苦,不再埋下仇恨的種子,不再帶來復仇的戰爭。

如此,中美以及全世界的太空長跑,每個人都是贏家。

真正要拼的是「子子孫孫無窮盡也」的下一代對科學的傳承,正如這片欒樹林一樣,鬱鬱蔥蔥。





各國月球計劃,已實現的與將要實現的 | 月球與行星研究所(LPI)

[本文來自公眾號:醋話集,作者: 醋醋/虎嗅]