2022-03-16 16:56

50年前的月球样本首次被公开

美国宇航局的阿波罗登月任务带回了约382公斤(842磅)的样本,包括岩石、岩芯、岩石、卵石、沙子和灰尘。几十年来,科学家们对这些样本进行了认真研究,并得出了很多结论。但他们还没有研究所有的样本。

在一个令人印象深刻的先见之明的行动中,美国宇航局留下了一些未开封的样品,并处于原始状态。为什么?因为他们知道,用于研究样本的技术只会在几十年内得到改善。

阿波罗17号是美国宇航局最后一次阿波罗任务,也是六次成功登月并返回的最后一次。该任务于50多年前带着样本返回地球。这次任务中的三名宇航员是吉恩·塞尔南、罗纳德·埃文斯和哈里森·施密特。施密特是一位地质学家,也是唯一一位访问过月球的科学家。宇航员收集了约115公斤(254磅)的月球样本,这是阿波罗任务收集到的最大有效载荷。

Three Apollo 17 sample rocks are being weighed in a lab. Image Credit: NASA
阿波罗17号的3块岩石样本正在实验室中称重。图片来源:美国国家航空航天局

阿波罗17号降落在静海东部边缘的金牛座-利特罗山谷。这次任务有两个主要的地质目标:从月球高地获取古代岩石样本,以及在谷底寻找年轻火山活动的证据。

宇航员把样本放在特殊的环境样本容器中。在约翰逊航天中心的真空室中打开之前,容器有密封件以保护封闭的样品不受大气气体的影响。

In this image, an Apollo 12 astro<em></em>naut holds a core sample inside a container. Image Credit: NASA
阿波罗12号宇宙飞船 诺特在一家公司里放了一个岩芯样本 这张图里的Ntainer。图片来源:美国国家航空航天局

阿波罗17号返回地球已经过去了50年,美国国家航空航天局(NASA)决定,现在是时候打开阿波罗计划(Apollo Program)中最后一个未打开的月球样本了。阿波罗下一代样品分析计划(ANGSA)将打开样品。ANGSA是一个科学家团队,其目标是“最大化从阿波罗计划返回的样本中获得的科学知识,为预计在本世纪20年代或更久的未来月球任务做准备。”

“了解阿波罗着陆点月球样品的地质历史和演变,将有助于我们为阿尔忒弥斯期间可能遇到的样品类型做准备,”华盛顿美国宇航局科学任务理事会副主任托马斯·祖布肯说。阿耳特弥斯的目标是从月球南极附近带回寒冷和密封的样本。这是一个令人兴奋的学习机会,了解收集和运输这些样本所需的工具,分析它们,并将它们存储在地球上,为未来的科学家。”

上世纪70年代,当阿波罗任务收集到这些样本时,可用来研究这些样本的技术非常强大。但在这期间,技术进步将这项技术推向了新的水平。科学家们现在可以用在上世纪六七十年代的研究人员看来像是科幻小说的方式来研究这些样本。

NASA总部行星科学部主任洛里·格莱兹(Lori Glaze)说:“NASA知道科学和技术将会发展,让科学家以新的方式研究这种材料,以解决未来的新问题。”“ANGSA计划的目的是检查这些特别储存和密封的样本。”

一些将研究这些未开封的阿波罗样本的科学家在收集样本时甚至还没有出生。遗憾的是,许多参与阿波罗计划的人已经去世了,他们将永远无法看到他们史诗般的任务的一些结果,以及他们为未来留下一些样本的明智决定。

当阿波罗17号的宇航员收集样本时,他们把样本放在一个叫做双驱动管的双腔样本容器中。未开封的样品称为ANGSA 73001样品。在月球上,宇航员将它密封在真空中,从那时起,它就被储存在一个保护性的外部真空管中,保存在约翰逊空间站的大气控制环境中。NASA于2019年揭开了另一部分。

Left to right: Sample tube 73001/2 being used on the Moon. A simple schematic of the sample tube. Unopened sample tube back on Earth. Sample tube in pristine storage at Johnson Space Center. Image Credit: NASA/Lunar and Planetary Institute.
从左到右是阿波罗天文 在月球上使用73001/2样品管的鹦鹉。一个简单的样管示意图。在地球上未打开的样品管。样品管在原始存储在约翰逊航天中心。图片来源:美国宇航局/月球和行星研究所。

亚利桑那大学月球和行星实验室的杰西卡·巴恩斯(Jessica Barnes)是2019年获准接触未开放月球样本的科学家之一。当时,巴恩斯说:“能够研究这些以前未打开的样本,就像一个全新的月球样本返回任务。我们不仅将成为开放这些样本历史的一部分,而且我们还将利用这个机会来研究管理实践,比如环境和冷藏,如何影响我们测量月球水特征的能力。“这是令人兴奋的,因为这是前所未有的。”

巴恩斯在2019年表示:“他们意识到,未来的技术会让我们做一些在当时不可能的事情,人们会提出新的问题,这真的很令人兴奋,因为我们现在就处在那个时刻。”

太阳系科学中一个长久存在的问题是地球上的水的来源。但要理解这一点,科学家们必须观察太阳系内部的其他部分,寻找线索。这是因为板块构造抹掉了地球最早历史上的地质证据。但在月球上,没有板块构造,古老的岩石是完整的。

巴恩斯在2019年表示:“要了解太阳系中的水来自哪里,特别是它们是如何到达地球、火星和小行星带的,我们必须考虑月球。”“了解地球上的生命是如何开始的与水如何到达地球的故事密切相关。月球样本是这个谜题的关键部分,因为与地球不同,地球上最古老的岩石大部分已经被板块构造抹去了,月球上的古老岩石记录仍然完整。”

An Apollo 17 image showing wher<em></em>e the samples were collected. Image Credit: NASA
阿波罗17号的图像显示了它的位置 E样本被收集。图片来源:美国国家航空航天局

大约10年前,我们才在月球上发现了水,此后就没有收集过任何月球样本。所以这个未密封的样本可以在我们探索地球水的过程中发挥作用。

科学家们比较了太阳系不同地区的水的同位素比例。水分子中的氢有两种同位素:H1,也叫protium,和H2,也叫氘。在水的样本中,氢的两种稳定同位素的比值。第三种氢同位素叫做氚,它衰变迅速。

如果两个太阳系天体的水有相同的氢同位素比例,这被称为同位素均匀化,这表明水有相同的来源或历史。科学家们研究了地球上的氢同位素比率,并将其与月球同位素比率和陨石比率进行了比较。了解所有这些不同的水域是理解太阳系如何形成和演化的努力的一部分。

月球岩石中的其他元素也有同位素比值。它们是“大碰撞假说”的重要证据,该假说认为,月球是由早期地球和一颗火星大小的原行星忒伊亚(Theia)碰撞产生的碎片形成的。但是同位素比率的世界是复杂的。一些同位素证据支持大碰撞假说;其他的同位素证据与此相矛盾。

这个未开封的阿波罗样本能说明问题吗?

研究样品的技术有了很大的进步。当科学家们第一次研究阿波罗号的样本时,其中一个可用的设备并不存在。它被称为纳米sims,或纳米尺度离子质谱仪。

Nano-SIMS允许科学家识别同位素,并“创建元素或同位素分布的纳米级地图”。科学家们使用纳米sims来测量各种样品的含量,从陨石到古老的岩石,再到彗星上的细粒尘埃。

A NanoSIMS isotope ratio image showing water-bearing minerals in a sea of water-poor glass in Apollo sample 10049. These were the last phases to crystallize from the lava as it cooled on the surface of the Moon. The scale bar on the lower left measures a<em></em>bout one-fiftieth the width of a human hair. Image Credit: NASA/Lunar Planetary Institute
在阿波罗号10049号样品中,NanoSIMS同位素比值图像显示了一片贫瘠的玻璃海洋中的含水矿物。这是熔岩在月球表面冷却后结晶的最后阶段。左下角的比例尺表示a 大约是人类头发的五十分之一宽。图片来源:美国宇航局/月球行星研究所

纳米sims是一项强大的技术,研究人员将毫无疑问地把它应用到这一原始样本上。但我们还没到那一步。

当阿波罗17号的宇航员收集样本时,试管底部的条件非常寒冷。这意味着,任何挥发物,如水和二氧化碳,都已经被冻结,应该仍然在试管中。这个样本如此令人感兴趣的原因之一是,它来自月球的中纬度地区,也就是美国宇航局发射阿耳特弥斯任务的地方。因此,了解这些样本将有助于阿尔特弥斯任务为他们的采样工作做准备。

密封的样本里可能没有多少气体。但是,如果科学家们能够小心地将其提取出来,这种气体仍然充满了线索。像Nano-SIMS这样的现代质谱分析工具非常敏感,能够非常精确地确定气体中分子的质量,并准确地识别它们。不仅如此,Nano-SIMS只需要一小部分样本就能完成工作。这意味着样本可以分配给多个研究月球科学不同方面的研究人员。

从试管中提取样本本身就是一项艰巨的任务。圣路易斯华盛顿大学的科学家们开发了一种叫做歧管的特殊设备,用来提取和收集管内的气体。欧洲航天局的另一组科学家开发了一种独特的工具,可以穿透月球样品容器而不让任何气体逸出。这个独特的系统完全是为这个样品开发的,并且经过了严格的测试。

A piercing tool built by ESA is set to open a Moon soil co<em></em>ntainer from Apollo 17 that has gone untouched for nearly 50 years. Image Credit: ESA/ANGSA Science Team.
由欧洲航天局制造的一种穿孔工具准备打开月球土壤公司 阿波罗17号的集装箱已经被废弃了近50年。图片来源:ESA/ANGSA科学团队。

负责提取样本的团队于2021年2月11日开始工作。整个过程需要几个月的时间,首先要打开外层保护管,收集所有气体。没有什么意外,因为团队事先就知道它应该包含什么,而且他们发现一切都如预期的那样。外层管道不含任何月球气体,这意味着内层管道的密封完好无损,没有泄漏。

From left, Dr. Juliane Gross, Astromaterials Research and Exploration Science Division (ARES) deputy Apollo curator, and Dr. Francesca McDonald, from ESA, take precise measurements from the piercing device prior to using the newly developed tool.
Credits: NASA/James Blair
从左起,阿波罗太空材料研究与探索科学部(ARES)副馆长朱莉安·格罗斯博士和欧洲航天局(ESA)的弗朗西斯卡·麦克唐纳博士在使用新开发的工具之前,对穿刺器进行了精确的测量。

学分:NASA /詹姆斯·布莱尔

2月23日,该团队开始了复杂过程的下一步。刺穿内部容器并慢慢收集任何仍在里面的月球气体将需要数周时间。

一旦气体被移除,NASA天体材料研究与探索科学部(ARES)的团队将开始小心翼翼地移除土壤和岩石。

Front from left, Drs. Ryan Zeigler, Rita Parai, Francesca McDonald, Chip Shearer and back left from left, Drs. Zach Sharp from the University of New Mexico and Francis McCubbin, Astromaterials Research and Exploration Science Division (ARES) astromaterials curator look on in excitement as gas is extracted into the manifold after the inner tube was pierced.
Credits: NASA/James Blair
左起前排,博士。瑞安·齐格勒,丽塔·帕莱,弗朗西斯卡·麦克唐纳,奇普·希勒。新墨西哥大学的扎克·夏普和天体材料研究与探索科学部(ARES)天体材料馆长弗朗西斯·麦卡宾兴奋地看着气体刺穿内管后被提取到流形管中。

学分:NASA /詹姆斯·布莱尔

美国宇航局的瑞安·齐格勒(Ryan Zeigler)是阿波罗号样本负责人。他的工作是监督天然气和岩石的开采过程。齐格勒的工作是正确地准备,编目,并与他人分享样本进行研究。人们的兴奋之情与日俱增。

齐格勒说:“很多人都很兴奋。

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