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2019-07-27 14:37:26

阿波罗登月50周年:年轻一代月球科学家将改变未来月球研究

澎湃新闻见习记者 陈凌瑶

1969年7月20日,美国宇航员阿姆斯特朗成功踏上月球表面,迈出人类历史性的一大步,也标志着人类第一次探月热潮的到来。

进入21世纪,人类第二次探月热潮兴起,除了原先的航天大国美国和俄罗斯外,中国、印度、日本和韩国等国也陆续加入了这一热潮。

今年1月,中国月球探测器嫦娥四号成功着陆在月球背面,并计划在今年年底发射嫦娥五号,实现区域软着陆及采样返回。印度在2008年10月首次执行月球探测任务,目前正在努力实现月球软着陆。韩国正在研制其首个月球探测器,最早将于明年发射。美国也在计划2024年前让宇航员重返月球。

各国探月计划的背后,不乏年轻一代的身影。在阿波罗11号成功登月50周年之际,《自然》杂志采访了五位年轻的月球科学家。在他们的故事中,我们可以看到新一代科学家是如何改变人们对月球的研究与认识。

梅加·巴特:绘制月球矿物学地图

梅加·巴特(Megha Bhatt)是一名印度月球科学家,自儿时起便感受到月球的吸引力。

她出生在印度的一个小村庄,村里晚上经常断电,导致有很多时间观察星空,并为之深深着迷。阿波罗号登月的故事让她萌生了为印度航天局工作的念头,也促使她选择学习物理学和电子学。

2008年,印度成功发射了第一个月球探测器月船一号。巴特在她的博士论文中使用了该探测器的一些数据来研究月球矿物学。通过研究不同波长的月球反射光,她绘制出了不同矿物在月球表面的分布情况。巴特还提出了一种估算铁元素丰度的方法,用以揭示熔化的新生月亮在45亿年前冷却后如何开始形成矿物晶体。

目前,巴特在位于艾哈迈达巴德的印度国家物理研究实验室专注于月球遥感的研究,并继续绘制她的月球矿物学地图。研究数据主要来自月船一号,有时也需要结合一些其他月球探测器的测量数据,比如在2007年至2009年间绕月飞行的日本月球探测器“月亮女神” (SELENE probe)。“这就像侦探工作,你必须整合更多信息才能看到更大的图景。” 巴特说道。

“月球旋涡”是巴特试图解开的月球谜团之一。

这些神秘的浅色斑纹出现在月球上,就像咖啡里的奶油斑点。关于月球旋涡的形成,科学家们有几个相互矛盾的观点。其中一个流行的观点是,月球上的一些磁性岩石就像保护伞,可以保护月球表面被太阳释放的粒子和辐射,也就是太阳风影响。这些微型磁伞能够将月球表面与太阳粒子隔离开来,防止其变暗。

巴特正在从矿物学角度研究这些可以延伸几十公里的旋涡。在一个被称为“赖纳尔伽玛”(Reiner Gamma)的椭圆状漩涡中,她发现了其表面矿物反射光的方式的变化,这表明有多个机制分别形成了该旋涡的不同区域。她认为磁屏蔽在一定程度上可以解释一些月球旋涡的形成,但并不是全部原因。

印度原定于2018年3月发射月球二号探测器,但由于修改设计等原因已经4次推迟发射时间。该探测器任务包括绕月观测和在月球南极着陆,收集水冰、岩石和土壤数据。这将是第一个探测月球高地贫铁富铝岩石的探测器,该地区的化学成分还未被直接探索过。如果未来任务能够成功,巴特将转而研究这些矿物。

杰西卡·巴恩斯:探索封存多年的月球岩石样本

预计在明年,杰西卡·巴恩斯(Jessica Barnes)将走进一个温度保持在零下20℃的大冷藏室,近距离接触一块被封存了近50年的月球岩石样本。自1972年阿波罗17号的宇航员将这块岩石带回地球以来,它一直处在冷冻状态。巴恩斯将分析这块封存多年的阿波罗原始样本中水和其他挥发性物质的含量。

阿波罗17号是阿波罗计划的最后一次任务,着陆点在月球北半球的陶勒斯-利特罗山谷。哈里森·施密特是阿波罗计划众多宇航员中的唯一的地质学家,他在山谷的一块巨石上采下一些样本,其中一块被带回地球后就被放到零下20℃冷藏,另外的样品则被保存在室温下。科学家们并不确定冷冻条件是否比室温更有利于样本保存,而巴恩斯将迎来绝佳的机会研究这两种保存条件下样本成分的不同之处,进而对冷冻保存技术做出评估。

如果不同样本中水和其他挥发物的含量相同,那么NASA未来可能就不必费心思去冻结这些从月球带回的岩石。但任何差异的存在都可能表明需要有更好的方法来保存月球样本,以维持其科学特性。除此之外,巴恩斯和她的团队还将研究这块冷冻多年的阿波罗样本的基本地质成分和化学成分。

巴恩斯最初是苏格兰的一名地质学学生,当她意外获得一个研究月球岩石的博士机会后,便转而开始了月球研究之旅。这个职位主要是运用纳米二次离子质谱技术,从微观领域分析月球岩石中的化学成分。

巴恩斯说:“我看到这份工作时简直不敢相信自己的运气,我将用一种全新的技术来研究月球岩石。我很幸运地得到了这个机会,我从来没有后悔过。”

目前,巴恩斯在位于美国得克萨斯州休斯顿的约翰逊航天中心工作。在著名的月球实验室中,她研究了阿波罗计划带回的各类的月球岩石,其中她最喜欢的是一种叫做橄长岩的古老岩石,这种岩石表面为乳白色,上面布满了蜂蜜棕色的矿物质。

今年8月,她将加入亚利桑那大学月球和行星实验室,把她对月球岩石的研究经验用于保存奥西里斯-雷克斯(OSIRIS-REx)任务收集的小行星样本。奥西里斯-雷克斯是NASA首个小行星采样返回任务,预计将于2023年完成。

目前,令巴恩斯最兴奋的是能够参与阿波罗样本分析项目,该项目共有9个研究团队,他们将从不同方面研究阿波罗计划带回的原始岩石样本。每隔一段时间,巴恩斯就会去参加一个会议,见到施密特——那个在月球上采集了岩石样本的宇航员。

凯瑟琳·乔伊:在南极洲寻找月球陨石

英国曼彻斯特大学的月球科学家凯瑟琳·乔伊(Katherine Joy)也在研究月球岩石。与巴恩斯不同,她研究的月球碎片不是由宇航员从太空带回来的,而是月球遭受小行星撞击时从表面飞溅出来,穿过太空落到地球上的月球陨石。

乔伊会亲自去寻找这些稀有的月球陨石。今年年初,她参加了英国南极调查局组织的首次南极陨石搜寻活动。乔伊骑着雪地摩托飞驰过南极广袤的冰原,在冰面上用仪器搜寻那些看起来突兀的黑色小岩石。

在4周的时间里,考察队一共发现了36块来自太空的陨石。目前,这些样本刚刚通过慢船从南极洲运到英国,乔伊将在本月开始分析这些样本。她希望至少能找到一块来自月球的陨石,“我们曾经成功找到过来自灶神星的陨石,但我非常想找到一颗月球陨石。”

乔伊也曾研究过阿波罗宇航员带回的一些著名的月球岩石。2012年,她在阿波罗16号执行任务期间收集的月球岩石中发现了古代小行星的碎片。这一结果表明,34亿多年前原始化学成分的小行星经常撞击地球和月球。

相比较而言,月球陨石可以帮助乔伊更好地开展工作,因为它们来自月球各个区域。而阿波罗号带回的样本则都来自月球近侧一个化学成分独特的有限区域。

每一块月球陨石都是一座潜在的月球信息宝库。截至目前,科学家已经发现了大约145颗月球陨石,并通过它们了解了月球更多区域的地质情况。今年5月,乔伊及其团队报告称,在2013年南极洲发现的一块43亿年前的月球陨石中存在证据表明当时月球上已有火山爆发。

除了研究月球陨石外,乔伊还是一个欧洲仪器合作项目中的一员,该仪器将用于俄罗斯计划在2023年送至月球南极区域的“月球27号”着陆器。她也就行星探索的重要性向英国政府提出过建议。

当然,乔伊最大的梦想还是亲自去月球旅行,沿着陨石坑的一侧向下攀爬,探寻月球各个地质层的历史。

蔡景深:利用偏振光研究月球土壤

蔡景深(Chae Kyung Sim)是一名韩国月球科学家。相比于亲自去月球旅行,她更喜欢带着两个孩子看天上的月亮。他们会讨论月球的亮度和不断变化的形状,以及他们的母亲是如何在地球上揭开它的众多谜团。

蔡景深对星空的探索源于一位热爱天文学的童年伙伴。她最初研究的是行星天文学,关注木星和土星的大气层。2014年,在蔡景深获得韩国庆熙大学博士学位前后,韩国政府宣布计划向月球发射第一艘宇宙飞船。当时韩国的月球科学家非常少,蔡景深和一些韩国科学家转而开始思考如何为这次任务提供一些独特的科学方法。

蔡景深的研究领域是太空风化,即暴露在严苛的太空环境中的天体表层所经历的一系列变化过程。她希望能揭示月球上有多少地表风化是由这两个过程造成的。她说,研究导致月球表面风化的各种因素可以帮助研究人员了解一个地区的地质历史。

在权威天文期刊《伊卡洛斯》(Icarus)发表的一篇论文中,蔡景深和她的团队报告称,月球土壤中的铁元素的含量会导致它们对太空风化的反应不同,了解这些差异可以在探月任务中选择更适合让航天器着陆的土壤类型。

她现在所在的团队正在开发一款能够利用偏振光研究月球的相机。偏振研究可以揭示月球表面的更多细节,比如尘埃颗粒的大小,这是月球表面风化程度的一个标志。她表示,这款相机将是有史以来送到月球上的分辨率最高的偏振仪,并将帮助科学家更好计划未来的登月任务。

目前,韩国即将迈出探月第一步,计划在2020年首个试验型月球探测器探路者号(KPLO)。蔡景深希望用探测器获得的数据来比较月球和其他无空气天体(如水星)的太空风化情况。她还期待向世界展示韩国探月发现的一切。

她说,“作为一个韩国人,我对使用其他国家的数据感到不舒服,因为这些钱是由那个国家的纳税人而不是我们的国家花掉的,我想把韩国的数据分享给其他国家的科学家。”

法文哲:分析嫦娥探月工程传回数据

法文哲是中国自主培养的月球科学家之一,目前任职于北京大学遥感与地理信息研究所,致力于分析我国“嫦娥”探月工程所获得的数据。

他的职业生涯也受到了中国登月计划的影响。在复旦大学攻读博士学位时,法文哲的研究方向是微波辐射计对地表特征参数反演。2007年,中国准备发射第一颗月球轨道飞行器嫦娥一号。得知自己所在的实验室会研究来自探测器的数据后,法文哲自愿参与了这个项目,并为中国本土月球研究做出许多贡献。根据嫦娥一号探月数据,他在《伊卡洛斯》上发表了估算月壤厚度与月表氦-3含量分布的论文。

他还是嫦娥三号和四号任务科学研究核心团队成员,通过嫦娥三号测月雷达数据绘制了雨海着陆区精细的浅表层结构图。嫦娥三号于2013年在月球近地球面最大盆地雨海地区着陆,通过携带的探地雷达对月球地下进行了迄今为止最详细的测量,结果发现月球地下的地质结构比科学家们预想的要复杂得多。“我们探索月球的次数越多,我们的疑问就越多。” 法文哲称。

除此之外,他还对传统观点提出了一些挑战,比如月球极区永久阴影区是否存在大量水冰。美国月球勘测轨道飞行器等航天器观测发现,在月球永久阴影区存在一类撞击坑,其坑内雷达回波极化比远高于坑外。对此,NASA等太空机构解释称,月球极区存在大量水冰,宇航员可以开采这些冰,以支持未来的月球移民。但法文哲开发了一种解释观测结果的新模型。他认为,这种回波异常是月球表面石块二次散射的结果。“可能有水冰,但体积没有之前想象的那么大。我的研究结果对未来的探索确实是一个挑战。”

中国航天局计划今年年底前后发射嫦娥五号,实现区域软着陆并将采取2公斤的月球样本带回地球。法文哲见过阿波罗号宇航员收集的月球岩石,但从未触摸过。他终于有机会与月球近距离接触,“有时候我觉得自己很幸运。”

来源:北京pk10定位一码技巧

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