登上月球:换一种方式“赏月”
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登上月球:换一种方式“赏月”

2021年09月18日 14:23:39
来源:甲子光年

作者 | 刘景丰 刘杨楠

编辑 | 宋家婷

1978年5月20日中午,美国副总统的专机降落在北京机场,几分钟后,一位身材高大的美国人从机舱内走出,他正是时任美国总统卡特的国家安全事务助理布热津斯基。

布热津斯基此行的目的只有一个:推动停滞不前的中美关系,促成中美建交。为表诚意,他给中国带了一份特殊的礼物——1克重的月球岩石标本。

这1克月岩标本被装在有机玻璃中,玻璃表面还做了一面放大镜,使得里面的月岩看上去如成人指甲一般大。

中国获赠的月岩样本

中国获赠的月岩样本

从事后的披露信息中可知,这1克月岩来自阿波罗17号取回的月岩。众所周知,从1969年7月阿波罗11号首次将人类送上月球,到1972年阿波罗17号最后一次登月,美国在6次登月中总共获得了381.7千克的月球土壤岩石。1973年,美国总统尼克松把阿波罗17号取回的一块月岩的一部分敲碎成1克左右的小碎块分送给135个国家。

尽管对当时的美国来说,这1克只有黄豆粒大小的月岩算不得珍宝,但对彼时尚无科技实力走近月球的中国来说已经弥足珍贵。中国将这1克月岩一分为二,把0.5克放在北京天文馆用作展览,另外0.5克用作科学研究。

布热津斯基此行非常成功,7个月后的1979年1月中美正式建交。但或许令他没想到的是,这1克月岩,不仅让中国科学家获得了宝贵的科研原始材料,同时也激发了中国的探月热情。

实际上,自2000年确定探月工程后,在二十余年里,中国不仅成功完成了从“嫦娥一号”到“嫦娥五号”的发射,还实现了月背着陆以及月壤月岩采集,成为世界上第三个带回月壤的国家,更是第一个成功实现月背软着陆的国家。

这背后的成功,1克月岩也有一定的功劳——通过月球陨石、国际公开文献、美国和苏联科学界公开的月岩月壤资料,中国科学家利用地球岩石配置了若干种模拟月壤,这为后来的探月工程试验登月器、月球车小轮子、月壤种植以及在月壤上构建舱体等打下基础。

如今,距人类第一次登月已经过去51年,全球各国对月球的探索热情再次提升。这一次全球探月热的背后有什么推动因素?这一次探月会和51年前有何不同?如何更科学地认识、探索月球?或许我们在中秋赏月之余,可以从另外一个维度认识这个陪伴地球40多亿年的星球。

01 最昂贵的石头

2018年11月29日,纽约苏富比拍卖行一场盛大的拍卖会吸引了众多顶级富豪和科学家的目光。

说出来很多人可能不信,这次要拍卖的东西是三粒暗黄色的石头,其中两粒大一点的岩石也只有2毫米见方,小的一粒只有1毫米见方,三块石头总质量只有0.2克。别看不起眼,但这三粒细小的石头价格可不低,在拍卖前的估价竟然高达70万到100万美元。

被拍卖的三粒月岩

被拍卖的三粒月岩

什么石头,有这么大的魔力?

它更专业的名称是“月球岩石样本”。这三粒月岩即是由苏联“月球16号”无人月球探测器于1970年采集。最初由苏联政府赠给其早期火箭和卫星项目负责人谢尔盖·科罗廖夫的遗孀尼娜·科罗廖娃。1993年该月岩在苏富比首次向公众出售,买家是一名美国人,成交价44.25万美元。在当时看来,这已经是天价。

结果25年后,这几粒小石头的价格又翻了一倍。

无独有偶。此前美国一块在阿波罗11号任务中采集的月球尘埃样本曾被一政府雇员盗走,当时不知情的政府将赃物以 995 美元的价格拍卖售出。此后,当人们意识到这块月尘的巨大价值后,其拍卖估价一度高达200万~400万美元。

为什么月球岩石的价格如此昂贵?

作为人类首次到过月球的鉴证,这些月岩本身的纪念意义就已是无价。但如果抛去人文的因素,实际上,从获取月壤(岩)的成本上看,其资金耗费也已经让人咋舌。

美国阿波罗计划6次登月共带回了近382千克月壤月岩,共耗资250亿美元,合着带回的每克月壤(岩)就耗费6.5万美元(约42万人民币)。

相比之下,苏联的几次探月共带回321克月壤(岩),但其花在探月上的成本则高达45亿美元,折算下来,每克月壤(岩)耗费1400万美元。

这就难怪小小的一粒月岩能拍出如此的天价了。

除了作为人类登月的见证之外,月壤也有巨大的科研价值,并且让人们重新认识了太空。

02 忘掉外星人吧!重新认识太空

许多美国科幻电影,都喜欢把外星人入侵地球作为地球灾难的开始。电影中的外星人,要么体格高大异常凶猛,要么具有超能力可轻松杀死地球生物。今天看来,很少人会把这种情节当真,但在20世纪中叶之前,在文学作品的大肆描述下,很多人对此信以为真。实际上,人类第一次登月并从月球返回的过程中,就遭遇了巨大的担忧。

这也难怪,此前人们对外太空生物几乎一无所知,科学家们甚至一度担心从外太空返回地面的宇航员很可能带回来肉眼看不见的生化威胁。

1969年7月24日,执行完阿波罗11号任务的宇航员尼尔·阿姆斯特朗等三人顺利返回地球,并受到英雄般的欢迎。但在欢呼声中,三位宇航员刚一落地便与外界隔绝,进入一个特殊的封闭检疫室接受观察。

好在经过数周的观察后,三位宇航员身体并无异样。这之后人们才渐渐对外太空有了更准确的认知。

除了对宇航员的担忧,当时宇航员从月球带回来的月壤也让许多科学家担忧。为了验证这些月壤是否对地球生物存在威胁,科学家们做了一些实验。

他们首先将月壤样品放入培养皿中进行培养,经过长期观察,并没有出现任何微生物——这说明,采集回来的月球土壤没有外星生物的威胁。

但这些土壤没有包含外星生物,并不等于不会对地球生物产生危害。这还需要实验来验证。

检查月壤(月尘)对地球生物的安全性有许多方法,比如向鸟类和小白鼠体内注射含有月尘颗粒的溶液;将月尘倒入鱼缸中验证其对水生生物的影响;或者将月尘与食物混合在一起给昆虫食用。

这些实验下来,所有的动物都没有因月尘而生病或死掉。这说明月壤对地球动物不会产生致命的危害。

接下来还要对植物进行测试。科学家将月球土壤样品与普通土壤混合,并用这些混合的土壤种植西红柿、烟草、卷心菜、洋葱、芦笋、玉米等作物,结果这些作物也都健康生长。

难道恰好是这一次取回的月壤不会对地球生物带来危害?

于是,在接下来的阿波罗12号和阿波罗14号飞船归来后,美国宇航局又选取了15种不同的生物进行了类似的实验。最终证明了月面不同地区的土壤都不会对地球生物产生健康威胁。

这消除了千百年来人们心中的疑惑——月球上既没有外星人,也没有外星生物,而且月球的土壤也不会对地球生物产生危害。

实际上,不止月壤,就连整个月球在40多亿年还是地球的一部分。

第一次月球之旅更重要的一个任务,是通过月球岩石来探测月球形成的原因,进而分析地球乃至太阳系的形成原因

在此之前,人们对月球的形成有过诸多假说,比如月球和地球在同一个系统里吸积气体和尘埃而成的“双星吸积说”,由地球早期自转过快而甩出的“分裂说”,还有地球引力捕获卫星的“捕获说”,以及由其他行星撞击地球形成的“大撞击说”。

但这些假说,都缺乏证据。而月岩的形成,是月球经受小天体陨石长久持续撞击的结果。通过分析月岩,有望解开月球形成之谜。

在阿波罗登月过程中,美国科学家先后6次带回的月球岩石样品,都含有一种名为斜长石的物质,而斜长石主要由熔融岩浆形成,其构成了月球外壳大部分。这就证实了月球形成之初经历过非常难猛烈的撞击。

理由很简单:斜长石的密度不大。大撞击使月球表面形成岩浆海洋,当岩浆海洋冷却时,这种矿物会出现在岩浆海洋表面,并形成地壳。

阿波罗计划的意义重大。罗格斯大学的行星科学家朱利安·格罗斯(Juliane Gross)称,在阿波罗计划之前,“我们真的不知道月球是如何形成的”。

此外,这些月壤样本,也加深了人们对太阳系的认识。通过检测月球岩石与土壤的成分和结构后,研究者们得以估算月球的年龄,并运用这些信息来判断太阳系中的其他天体年龄。比如,地球形成1.5亿年后,受到一个火星大小的天体撞击,产生了大量的碎块聚合成了月球。

由此,整个太阳系的大事年表都和阿波罗任务收集到的样品年龄挂钩了

但是,试图只用几百公斤月球岩石就想准确解释月球的历史,几乎是不可能的。原因在于所有的阿波罗任务采集的都是在月球赤道附近的土壤和岩石。

如果能有更多地方的月岩样本,无疑对月球成因的分析更加有说服力。

中国科学家接过了这一次的探月“接力棒”。2020年12月19日,“嫦娥五号”带着从月球风暴洋吕姆克山采集回来的1731克月壤月岩成功返回地球。

为什么选择吕姆克山脉?这是因为,吕姆克山脉有月球上相对年轻的火山,其样品有很大的研究意义。美国《科学》杂志曾报道称,此处可能在大约13亿年前发生过火山喷发,晚于绝大多数月海玄武岩的喷发(距今39亿年~31亿年)。

“嫦娥五号”带回的月岩样本

“嫦娥五号”带回的月岩样本

此前,阿波罗计划采集的月岩样品年龄均不低于30亿年,其样品显示,月球火山活动的高峰在35亿年前左右,在30亿年前火山活动便停止。

中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙根据“撞击坑统计定年法”估计,“嫦娥五号”采样点处的火山活动发生在距今12亿~20亿年间,即分布有大量较为年轻的火山岩。“假如依据月球样品能够确认这一结果,就可以证明月球火山活动时间更长,科学家便需要重新思考月球演化的历史。”肖龙称。

中美月球取土地点对比

中美月球取土地点对比

这意味着,“嫦娥五号”采集的月壤有望使人们对月球与行星演化、太阳和宇宙的形成有新的认知。

这些认知对未来探索太空有着许多实际的意义。例如,将来,如果人类想要开始在小行星上开采金属和矿物,在我们到达该小行星之前就知道它的确切地质构成;此外,如果人类在太空建立基地,也可以根据行星的物质成分探测宜居星球。

03 风自东方起,新的“探月热”

尽管“嫦娥四号”的月面着陆相比美苏晚了五六十年,但论实现月背着陆,中国还是创造了世界的记录。

2019年1月3日10时26分,“嫦娥四号”稳稳地落在月球背面南极艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内,成为人类首个在月球背面软着陆的探测器。

在此之前,人类一直选择在月球正面登陆,因为这种方式着陆难度相对更小。而月背始终背对地球,因此着陆难度更大。尽管如此,月背的价值却更加诱人。

首先,月背地形更为崎岖,几乎全是环形山和古老的陨石坑,更接近月球最原始的情况,对月背的地形地貌、浅层结构和矿物成分探测,将为人类研究月球矿物质结构和太阳系起源提供更丰富的第一手资料;其次,由于月球自身的遮挡,月球背面有天然的“屏障”,没有来自地球的一系列电磁辐射干扰,有着无与伦比干净的空间环境,适合开展各类天文观测,可以充分弥补地面射电观测存在的诸多空白;另外,登陆月球背面需要更强的科技实力,可以催生并推动一系列高新技术的快速发展。

“嫦娥四号”成功着陆月背,意味着中国已可以凭借自己的能力抵达月球,加上之后的2020年12月“嫦娥五号”实现月壤(岩)采集,中国探月工程第一阶段的“绕、落、回”就此圆满完成,下一个目标直指载人登月。

值得一提的是,英国《自然》杂志把“嫦娥四号”任务选为当年度科学界最具影响力的事件之一。不仅Space X创始人马斯克第一时间留言称“祝贺”,美国国家航空航天局(NASA)的局长也在社交媒体称之为一项“令人印象深刻的成就”。

在广受赞誉的同时,“嫦娥四号”的成功也大大刺激了其他国家的登月热情。

在“嫦娥四号”着陆的6个月后,NASA公布“阿尔忒弥斯计划”,提出2024年以前再度实现载人登月,并在月球表面建立长期生存基地。

实际上早在2017年,美国在特朗普任期内就曾宣布将重返月球。当时,特朗普政府要求NASA在2024年之前将一名男性宇航员以及首位女性宇航员送上月球表面。尽管特朗普为此进行了一番游说,但NASA并没有得到大约33亿美元的全部扶持资金,但这两年美国在登月计划上的步伐已明显加快。

2019年,NASA在总计210.19亿美元的2020年度总统预算中,把约一半的费用用在将航天员送往月球及更远深空的勘探活动上;2020年9月,其又公布了一项280亿美元的计划。

2017年12月11日,时任美国总统的特朗普(前)签署“1号太空政策指令”

2017年12月11日,时任美国总统的特朗普(前)签署“1号太空政策指令”

不过,看起来美国的“重返月球”计划没那么容易实现。今年8月10日最新的消息显示,NASA总监察办公室(OIG)发布报告,因航天服开发预计出现延期,NASA将无法实现其2024年登月的目标。

除了美国之外,俄罗斯也加快了月球探索步伐。2018年3月,俄罗斯航天集团宣布,计划两年内发射“月球25号”探测器,重启从前苏联时代算起已中止了40余年的月球探测计划。同年11月,俄罗斯能源火箭太空公司公布了俄罗斯月球基地计划的建设路线图,根据该计划,俄罗斯宇航员将在2030年后登上月球。2020年7月,俄罗斯航天局提出2021年开启探月计划,将在2027-2028年向月球发射载人航天飞船。

相比之下,欧洲对月球的关注点并不是登月,而是采矿。2019年年初,欧洲空间局(下称“欧空局”)宣布将研究月球采矿技术,并计划于2025年开始相关探测任务。2020年的“嫦娥五号”发射和返回阶段,位于德国达姆施塔特的欧空局地面控制中心就曾协调其跟踪站网络与合作单位的地面站,通过接收遥测信号对“嫦娥五号”实施追踪,并将相关数据传递给北京飞控中心。这次与“嫦娥五号”的合作,或许也为欧空局积累了挖矿经验。

在前苏联、美国、中国三国成功实现航天器月球软着陆之后,以色列和印度也在2019年分别进行了“创世纪”和“月船2号”任务,但最后都以失败告终。这意味着,登陆月球比想象中要难得多。

此外,2020年11月,阿拉伯联合酋长国也对外宣布,计划发射一辆名为“拉希德”的小型月球车以研究月球。“拉希德”预计2024年登上月球,如果成功,它将成为由私人公司和太空机构制造的月球漫游车之一。

在“探月热”的同时,一些有先发优势的国家已打起了占领月球资源的主意。

2020年5月15日,美国国家航空航天局(NASA)正式公布《阿尔忒弥斯协定》(Artemis Accords),作为在月球表面开展国际合作的法律框架。其中一部分贯彻了《外空条约》和其他适用的国际条约,还有4项原则是NASA新提出的概念:比如“活动不冲突”原则;认可了开采和使用月球资源的权利;保护其他天体上的历史遗迹,如“阿波罗”登月遗址;最后,要求所有合作伙伴以公开、透明的方式详细介绍自己的空间政策和规划。

尽管《协定》的内容说得很隐晦,但其它国家还是听出了弦外之音。《阿尔忒弥斯协定》正式公布后,俄罗斯航天国家集团(ROSCOSMOS)总经理罗戈津在接受采访时就表示,绝不会接受(美国)这种将月球私有化的行为,这是违反国际法的。

对于已经有实力登上月球的国家来说,这一纸《协定》意味着合作国拥有先占月球资源的权利和机会;对于目前技术实力稍弱、暂时不能登录月球的国家来说,只能眼睁睁看着人类共有的太空资源被少数先占国家瓜分。

自1966年以来,外空活动的五大国际条约初步建立了外空活动的基本法律框架,以及外空营救制度、损害赔偿制度、空间物体登记制度和月球探测制度。但在更细分的月球资源开发中,如何保证各国对太空资源的公平开发,仍有待规范。

04 太空竞赛背后的盛宴

月球有什么样的魔力吸引着人类一直苦苦探索?

中国月球探测工程的首席科学家、中国科学院院士欧阳自远院士曾对月球资源有过这样一番憧憬:“月球有地球没有的、目前世界公认的最好、最安全的终极能源氦-3。用月球运回100吨氦-3来发电,就足够地球一年的用量。而我国,1年只要8到10吨氦-3,足矣!”

实际上,随着全球变暖加速,人们对可再生的替代能源需求日益迫切。为此,各国科学家纷纷研制“人造小太阳”。这些“人造小太阳”说白了就是一个个核反应堆,其工作原理是虚拟太阳内部的核聚变反应,就像氢弹爆炸释放能量一样。而氦-3是一种高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料,地球上储量极少,目前已知只有500公斤左右。

但月球上的氦-3储量丰富。据目前的探测,每1克月壤中含有数纳克氦-3,整个月球中的氦-3资源总量可达100至500万吨,可供全地球人类上万年的能源需求

此前,“嫦娥五号”着陆的风暴洋吕姆克山就是月球氦-3含量丰富的地方。

当然,人类的畅想虽好,要想利用好氦-3并不是一件容易的事。首先,月球表土的氦-3含量基本上平均分布,但是月壤中的氦-4是氦-3的几百倍,氦-3的分离在月球上是完全没办法操作的;其次,氦-3点火温度需要达到上亿度,现在只有美国在某些技术下能够做到。

这意味着,用氦-3进行受控核聚变离真正的实用还很远。可喜的是,目前我国已参与了七国共建的国际热核反应堆工程,并投入100亿元人民币成立了中国受控核聚变研究中心。

从月球看地球

从月球看地球

除此之外,月球作为离地球最近的天体,是人类进行深空探测的最好跳板。

随着马斯克的“火星移民计划”进行地如火如荼,人们对外太空的畅想已经不再是一种空想了。

今年5月15日,中国的“天问一号”着陆巡视器成功在火星乌托邦平原南部着陆。随后,国家航天局发布中国首次火星探测“天问一号”任务探测器着陆过程,以及着陆后火星车拍摄的影像。此后,火星磁强计也正式开启其科学探测任务。

稍早些时候的2月18日,美国“毅力”号火星车在火星成功着陆。9月8日,毅力号火星车成功收集到第二个火星岩石样本,并继续探寻第三个岩芯钻取的地区。

除了中美之外,日本、欧洲、阿联酋等都在计划或实施自己的火星探测活动。

然而,由于地球与火星距离时远时近,长至约4亿公里,短至约5600万公里。这意味着从地球到火星每隔2年半左右,才出现一次最佳发射时段(上一次在2020年),且中间飞行时长达7个月。如果能在月球建立发射基地,由于月球重力只有地球六分之一,加上没有大气层阻力,火箭推力可事半功倍,不仅降低了发射成本,也能大大缩短时间。

这些独特的价值和意义,吸引着越来越多的探月者。这其中,商业公司的身影越来越活跃。

如今,一些实力雄厚的科技公司或者心怀太空梦的超级富豪,早已在私人太空领域积累了较强的实力,紧接着盯上太空资源的争夺。

今年4月,NASA正式宣布将选择Space X及其星际飞船为Artemis(阿尔忒弥斯)计划提供载人登月系统,这将是NASA史上首个商业月球登陆计划。

此外,世界首富贝索斯的的太空公司蓝色起源则把目光盯在了月球开发上。2018年7月5日,蓝色起源已列出计划,将在月球上建立永久定居点,并在未来五年内开展登月任务。今年8月26日,蓝色起源成功发射一枚“新谢泼德号”(New Shepard)火箭,将为NASA测试登月技术。

俄罗斯航天集团公司总经理顾问谢尔盖·克里卡廖夫也在今年6月16日的全球航天探索大会上(GLEX)称,其不排除商业公司参与月球开发项目。

而中国近几年的商业航天市场快速崛起,也在为商业公司走向太空做着准备。航天专家黄志澄曾坦言,在未来我国的太空探索尤其载人探月探火等领域,民企的作用将进一步凸显。因为月球资源开发的市场风险高、不确定性大,完全花纳税人的钱并不合适。而民企更具灵活性,更适合参与到商业化较强的太空资源开发。

就在9月17日,神州十二号返回舱携聂海胜、刘伯明、汤洪波三名航天员顺利返回地球。此前一天,神舟十二号载人飞船与空间站组合体完成绕飞及径向交会试验,成功验证了径向交会技术,为后续载人飞行任务奠定了重要技术基础。

在大航天时代,中国正逐渐展现出了自己的实力。可以预见,普通人的月球探索梦已不再遥远。