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知识的一大步:阿波罗计划的科学遗传

撰文 | Sue Nelson 翻译 | 谷大春 校译 | 夏志坚
美国国家航空航天局发射的阿波罗11号首次让人类成功登陆月球,这一历史性的时刻必将永远被铭记。不过,该项任务以及整个阿波罗计划的其他部分也应该一并被铭记,因为它们不仅完成了多项科学研究,也让一些科学研究成为可能。科学记者苏·纳尔逊(Sue Nelson)一直在探索阿波罗计划遗留下的科学财富。
 
自1969年以来,世界发生了巨大的变化。那时,彩电正在兴起,家用电脑还没有出现,电话也只能挂在墙上。确如现在人们经常说的那样,一部现代智能手机的处理能力都要比在1969年7月将尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)、迈克尔·柯林斯(Michael Collins)和巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)送上月球的电脑的处理能力强大得多。然而,尽管地球上的科技又已经经历了50年的发展,但是美国国家航空航天局的阿波罗计划所遗留下的科学成果仍然影响深远。
 
就以在月球上布置的三座激光测距反光镜举例,它们分别是被阿波罗11号,阿波罗14号(1971年1-2月)和阿波罗15号(1971年7-8月)的宇航员放置在那里的。尽管已经在月球上待了近半个世纪,这些设备依然在正常运行。每个装置都是由一组顶角反射棱镜组成,其大小约同一个小手提箱,其中阿波罗15号的反射棱镜阵列最大,其尺寸为65厘米×105厘米。通过使用地球上的望远镜,科学家们可以将激光束对准这些反射棱镜阵列,探测其反射回的光子,从而精确地测量出地球和月球之间的距离(详细信息可参见报道《月球有多高》“How high the Moon”)。
 
这项测距实验帮助我们了解月球的轨道、月球自转的变化(与其质量分布有关)、地球自转的速度、以及地球自转轴的进动。它甚至可以被用来检验爱因斯坦的广义相对论。同时,它还揭示了月球正在远离地球的速度(每年3.8厘米,而且还在逐渐增加中)。如果你换个角度思考,该发现还佐证了解释月球起源的理论。
 
吉姆·格林(Jim Green)是美国国家航空航天局的首席科学家,也是在那工作了40多年的物理学家。他说:“自从在月球上安装了激光反射器以来,我们发现月球一直在远离地球,所有观察的实验结果都是相互一致的。如果月球一直在向外移动,那么(在过去)它肯定离我们更近。所以通过目前已经得到的分析,我们可以确定月球是在一个离地球非常近的地方,在一次撞击之后形成的。这一发现支持了一种有关月球及其起源的理论假设。”
 
月球起源
 
月球创造论,即大撞击假说,是有关月球起源的一个理论。该假说涉及到一颗被称为忒伊亚(Theia)的行星,该行星被认为与火星的大小相似,其运行轨道则与早期的地球相同。引力作用将忒伊亚和地球吸引到一起,并最终发生了巨大的碰撞,创造了我们后来所知的地球和月球。
 
与此同时,科学界还存在着一个与之相竞争的理论。该理论认为月球是由地球轨道上的碎片所形成。但无论在月球形成之前发生了什么,有一件事是清楚的。格林教授表示:“当(一切)恢复平静的时候,月球刚好位于我们所谓的洛希极限(Roche limit)之外。” 洛希极限是指卫星,例如月球,在围绕较大天体运行时能够保证自身存在的最小距离。“当时,月球形成于距离地球3倍地球半径之外的区域。而现在,月地距离已经是地球半径的60倍了,” 格林教授继续解释到,“这也就意味着如果你站在当时的地球上(当然我不推荐这么做,因为那时的地球还处于一片混沌),你会发现那时天空中的月亮要比现在大16倍。”
 
同时,由于当时月球离地球很近,一个地球日的时长只有5个小时。格林教授用了一个经典的比喻来形容这个现象:当一个芭蕾舞演员在旋转时,她的手臂离身体越近,旋转的速度就会越快。他说:“当月球逐渐远离地球时,地球自转会变慢,这就像芭蕾舞演员把手臂移开时会减速一样,以保持角动量守恒。”
 
格林教授解释说:“以前关于地球和月球是如何组合在一起的理论,我们只是有一些基本的概念,但现在我们正在这方面大步迈进。” 换句话说,半个世纪前在月球表面进行的这项实验,不仅给我们提供了地球和月球物理学相关信息的连续测量数据,同时还在持续影响和启发着科学思想的进步。
 
短暂却非凡
 
阿波罗11号的任务时间相对来说是比较短暂的。在阿姆斯特朗登上月球表面,迈出那举世闻名的第一步后,他和奥尔德林从登月舱出发,只向前探险了最多60米的距离,总共行走的距离也只有1公里。他们在月球表面总共待了不到三个小时,然后就安全地返回到了 “鹰号”(Eagle)登月舱。毕竟这次任务只是为了证明一些概念,除了政治上的申明外,它的主要目标还是要让宇航员可以在月球上着陆并安全返回家园。
 
因此,在阿波罗11号任务期间,可以进行的科学实验非常有限。在反光镜旁,阿姆斯特朗和奥尔德林部署了一整套的实验装置,每个实验装置的安装只花了10分钟,这些装置的设计目的是为了在宇航员离开月球后可以继续向地球发送数据。这套设备中包含了一个被动地震监测实验装置(Passive Seismic Experiment),其灵敏度足以捕捉宇航员走路的脚步,甚至阿姆斯特朗在吊床上辗转反侧都能被检测到。它在部署后运行了三周,记录了月震(moonquakes)和流星撞击的数据。这些数据为研究月球内部提供了信息。
 
 
阿波罗11号任务还配备了一个探测器,可以用来测量月球尘埃的积累,以及辐射对太阳能电池(为实验和通信设备供电)的损伤。此外,阿姆斯特朗和奥尔德林还通过使用固定在一根柱子上的铝箔片来收集太阳风样本(到阿波罗16号时,铝箔换成了铂金箔)。这些箔片朝向太阳,并且被暴露不同的时间,以检查太阳风组份的变化。然后它们被送回地球,由科学家检测其中稀有气体的同位素,这些同位素的数量会随着太阳风力的强弱而变化。另外,在宇航员的头盔上也装有宇宙射线探测器,这些探测器在宇航员返回地球后会被进行分析。
 
阿波罗11号任务取得了很多巨大的成就,不过却让很多期望在月球上发现生命迹象的人感到失望。在返回地球后,宇航员、航天器和实验样本都经历了21天的隔离。在此期间,“月球物质回收实验室”(Lunar Receiving Laboratory)对承载月球样本的容器进行了消毒,并使用光谱仪和显微镜分析了月球岩石的成分,以确定气体、化学和物理性质,同时还进行了放射性和生物生命特征的检测。实验室报告说:“无论在宇航员还是在飞船上,都没有发现任何来自外星的微生物。”
 
科学升级
 
科学研究对于首次载人登陆的阿波罗11号来说可能还只是一个次要目标,但在随后的1969年11月,伴随着阿波罗12号的升空,科学研究任务便正式登上了舞台的中心。这次任务的主要目标包括对月球的检查、测量和取样,以及部署第一套完整的阿波罗月球表面实验系统(ALSEP)。除掉在月球轨道和地月往返途中进行的勘察,阿波罗任务共计登录月球表面6次,完成了53次实验。不过,每次进行的实验数量和类型都会因任务不同而各有差异。
 
例如,阿波罗12号、14号和15号都进行了超热离子探测器实验(Suprathermal Ion Detector Experiment),以探测能量小于50电子伏(50 eV)的正离子的通量、质量和相对能量。这些正离子的来源包括太阳风,以及因被紫外线辐射而发生电离的大气气体。被动地震监测实验装置(由阿波罗11号、12号、14号、15号和16号分别部署)记录到流星体撞击之后不久,月球表面震动水平的增加。利用阿波罗14号上所携带的带电粒子月球环境实验装置(Charged Particle Lunar Environment Experiment),以及阿波罗16号(1972年4月)和阿波罗17号(1972年12月)上的粒子轨迹宇宙射线探测器,科学家们对宇宙中的高能粒子进行了研究。
 
在阿波罗12号、14号和15号上,科学家们还进行了冷阴极离子测量实验(Cold Cathode Ion Gauge Experiment),以测量月球上稀薄大气的压力。尽管该实验在阿波罗12号上仅仅持续了几周,但随后的阿波罗14号和15号则在1971年至1975年间持续地将月球气压数据返回到地球。之后,阿波罗17号继续通过使用月球大气成分实验装置(Lunar Atmospheric Composition Experiment)来测量月球大气的成分。实验结果揭示:目前月球大气主要的成分为氖气、氦气和氢气。结合地震监测的结果分析,研究人员发现氩-40(氩元素的同位素)的水平会在地震活跃期间增加。这种气体被认为是由地表下的放射性元素钾-40(钾元素的同位素)衰变产生,并随着月震时地表出现的裂缝被释放出来。
 
阿波罗12号、15号和16号上还装备了一个月球表面磁力仪,用来测量月球自身的磁场和来自地球和太阳的外源磁场。通过几个月的测量,来自外部的磁场波动可以被排除,进而揭示出月球自身的磁场在某些区域内随时间的变化。利用磁力仪可以观测月球进出地球磁场,通过一种名为 “电磁测深(electromagnetic sounding)” 的技术,科学家们可以估算出月球导电性随其深度的变化。
 
阿波罗号宇航员所进行的各项科学实验为研究月球内部信息提供了丰富的线索,即便是在几十年后的今天,这些数据仍然暗藏着月球的秘密。以月球内核为例,尽管阿波罗号上的磁力计测量没有表明月球拥有一个富含铁的内核,但测量结果将月球内核的半径限制在450公里以内,而这一数值也与月球地震监测数据相吻合。与此同时,通过激光测距反光镜观测得到的月球自转变化的结果进一步确定了月球内核的大小,结果显示月球内核的半径应该小于350公里。但直到2011年,研究人员重新分析被动地震监测实验数据时,才获得了更为详细的月核图像(文章发表在《科学》杂志上,刊号 Science 331 309)。利用地震阵列处理技术来增强阿波罗任务数据中的微弱信号,科学家们推断出月球内核富含铁,是由一个半径约为240公里的实心球体和一个90公里厚的流体外壳组成。科学家们重新分析的结果还表明,月核中还含有少量轻元素,比如硫元素,这与地球的地核极为相似。
 
月球尘埃和宇航服
 
然而,并非所有阿波罗任务的科学目标都能按计划进行。在阿波罗11号上,阿姆斯特朗和奥尔德林收集了21.5公斤的月球岩石和土壤,但却没有采集任何月球环境样本或气体分析样本。另外,由于时间的限制,他们也没能按计划完成所有的采样记录。
 
所有阿波罗号的宇航员都会被月球上非常细小的尘埃所困扰。这些尘埃覆盖在月球表面,由于太阳辐射会带走电子,使其产生静电,进而变得特别地“粘”。这些尘埃会堵塞、磨损、干扰宇航服和相关实验。例如,阿波罗11号上的被动地震监测实验就是因为月球尘埃的干扰,造成仪器过热而失败。而在阿波罗17号上,宇航员哈里森·施密特(Harrison Schmitt)在报告中说到,月球上的尘埃让他的靴子上粘了三层类似凯夫拉的材料。与此同时,他还抱怨 “月尘” 让他产生了犹如 “花粉热” 的症状。
 
笨重的宇航服本身也造成了很多麻烦。阿波罗16号的指挥官约翰·杨(John Young)就曾被一根电缆绊倒而搞砸了热流实验。这一点提醒了美国国家航空航天局:当操作人员行动受限,而且还要穿宇航服和戴头盔时,所有航天器的硬件都需要设计得更为结实耐用。
 
除了约翰·杨的那次意外,阿波罗16号的其他部分还是比较成功的。它的科学发现包括在地球周围发现了两条新的极光带,以及拍摄了第一张氢原子波长的地冕照片。神秘的地冕是地球外层大气的一部分,它是由氢原子组成的气态云,这些氢原子在远紫外光的照射下会发出光亮。这些图片证实了,在行星间的莱曼阿尔法背景下,地冕依然是可以被探测到的。所谓莱曼阿尔法背景是指由遥远星系的中性氢原子发出的辐射。更有意思的是,在2019年科学家们发现地冕层已经延伸到了月球之外(详情可参见文献:J. Geophys. Res. Space Phys.10.1029/2018JA026136),这也就意味着宇航员在拍摄这些照片时,其实还身处在地冕层的内部。
 
阿波罗16号的宇航员还在轨道上通过使用X射线荧光光谱仪(用以观察镁、铝和硅元素)和伽玛射线光谱仪(用以识别钍、铁和钛元素),测量了月球地表的成分。另外,阿尔法粒子光谱仪还探测到来自月球的放射性氡辐射,并确定了放射性活跃的区域,比如阿里斯塔克斯陨石坑(Aristarchus Crater)。这表明在这些区域,月球地壳中的铀元素含量相对较高。
 
更大的跨步
 
随着阿波罗任务的进展,宇航员在舱外活动 (走出登月舱)的时间逐渐增加,科学实验的时间也在增加。从阿波罗15号开始,宇航员甚至装备了一辆电池驱动的月球车(the Lunar Roving Vehicle),可以带着他们去探索月球上更远的地方。到阿波罗17号,美国国家航空航天局的航天员在舱外创造了22个小时的活动记录,累计行程约达35.9公里,共进行了10项科学实验,惊人地收集了741份岩石和土壤样本,其中有些样本更是来自地表以下3米的深处。
 
在整个阿波罗计划中,宇航员总共带回了382公斤的月球岩石和土壤。这些月球岩石和土壤来源之广,种类之多:从火山的玄武岩和月球高地(Lunar Highlands)上的古代岩石,到角砾岩。角砾岩是一种含有其他岩石或矿物碎片的沉积岩,它是在撞击的过程中形成的。这些撞击在月球表面上形成了在地球上清晰可见的独特陨石坑。阿波罗11号和12号带回的土壤样本在地球上甚至被用于种植植物或是接触种子。科学家们对35种不同的植物进行了试验,结果发现月球上的土壤对这些植物来说是无害的。
 
 
阿波罗12号的贮藏物中包括主教坑陨石(Bench Crater meteorite),这是人类在另一个世界发现的第一颗陨石,但该陨石的最大样本还是来自阿波罗14号。英国曼彻斯特大学的月球地质学家凯瑟琳·乔伊(Katherine Joy)说:“这块陨石样本差不多和一个西瓜一样大。”  在2013年,乔伊教授是分析研究主教坑陨石团队中的一员,所用的实验样本就是由美国国家航空航天局的阿波罗计划提供。
 
乔伊教授继续说:“通过分析阿波罗计划带回的月球样本,我们了解了月球外壳的形成过程,月球上的白色区域可能形成于岩浆海洋。早期的月球是非常热的,然后晶体状的地壳从岩浆海洋中逐步形成。这些信息是非常有用的,通过这些信息我们可以推测其他行星的地壳是如何形成的。”
 
从月球的照片看来,宇航员都是站在一个单调灰色的地表上。而乔伊教授在研究阿波罗任务带回的样本时却发现了一个令人惊讶事实:月球尘埃下实际上五彩斑斓。她解释说:“那些岩石有的很漂亮,而且晶莹剔透。有些是明亮的白色,有些则是棕色,还有些是绿色。在一些岩石中,还存在着肉眼可见的大块晶体。”
 
暗淡月球的斑斓色彩
 
尽管阿波罗计划中包含了众多的科学实验,但在整个计划中只有一位宇航员是受过科学训练的,他叫哈里森·施密特(Harrison Schmitt),于1964年在哈佛大学获得了地质学博士学位。作为阿波罗17号任务的一员,他和同事吉恩·塞尔南(Gene Cernan)是目前最后一批在月球上行走的人类。在执行任务的过程中,当施密特发现一些土壤不是灰色的时候,他非常地兴奋,大喊着:“这土是橙色的,橙色的!” 土壤之所以会呈现橙色是因为其中存在着火山玻璃,当然火山玻璃还可以呈现出其他色彩。乔伊教授解释说:“月壤有些是黑色的,有些是灰色的。阿波罗15号就带回有装在瓶里的美丽的绿色土壤,它也是源于火山玻璃。远古时代的火山将其碎屑产物铺洒在了月球的表面上。”
 
 
在月球样本返回地球后,美国国家航空航天局允许全世界各地的科学家团队对其进行研究。通过这些研究,科学家们推断大约在30亿至38亿年前,月球的近地侧曾经有过活跃的火山运动。 “那些黑色的物质其实是玄武岩,我们在夏威夷或冰岛也能看到这样类似的岩石,” 乔伊教授继续介绍到,“而那些白色区域则由类似于花岗岩的钙长石组成。钙长石主要是由一种名为长石的矿物构成。钙长石对于月球来说非常重要,因为月球上大部分岩石都是由钙长石构成的,它形成于岩浆海洋的最早阶段。再后来,月球遭受到各种外来陨石的冲撞,由此变成一个巨大的混合体。”
 
“水冰月” ——月球上是否有水
 
在第一次分析月球样品时,科学家们发现样品中挥发性物质的浓度很低。挥发性元素和化合物的沸点很低,非常容易蒸发,例如氮、氢、二氧化碳、甲烷和水。所以科学家们推测月球是一颗干燥的星球。
 
然而,在2010年,美国加州理工学院的杰里米·博伊斯(Jeremy Boyce)教授领导的一个科研团队对这一推测提出了质疑。该科研小组研究了一块由阿波罗14号搜集的样本编号为14053的月球玄武岩中的磷灰石颗粒(一种磷酸钙矿物),他们利用离子微探针技术,发现了以羟基(OH -)结构形式存在的氢元素(文献请参考 Nature 466 466),这意味着在月球地表下可能存在着水。事实上,从氢,硫和氯元素的含量来看,阿波罗14号带回的磷灰石和地球上发现的火山岩基本相同,这就表明很可能它们形成的过程也是类似的。当然这并不意味着月球富含地球那样的水资源,但它表明月球的地质过程至少能够产生一种含水矿物。
 
月球可能不像我们最初认为的那样干燥,这一假设在最近一项关于月球的发现中也得到了证实。2018年,夏威夷大学的李帅和其同事通过光学方法,在月球两极永久阴影的环形山区域发现了水冰存在的直接证据(相关文献可参阅 PNAS 115 8907)。这可能是近期有关月球研究中的最伟大的发现之一。该发现对未来人类在月球上如何生存或是建立基地有着重大意义,特别是可以通过就地取材,制造出氢燃料电池为人类生存提供能源。
 
未来的月球之旅还将在很大程度上依赖于阿波罗计划所获得的信息和经验。随着人类分析技术的不断发展和改进,阿波罗计划带回的样本和数据将会揭示更多的奥秘。我们或许会在今年庆祝著名的 “人类的一大步” 的50周年,然而,阿波罗任务遗留下的科学财富依然有待人类去探索。
 
宇航员的后知后觉
 
 
2019年4月,我在华盛顿参加了美国国家科学院的一个研讨会,以庆祝美国大学空间研究协会(Universities Space Research Association)成立50周年。1969年,该协会正式成立,旨在让科学家研究阿波罗任务带回的月球岩石和土壤样本。会上,有位演讲者是来自新墨西哥州的前参议员,他也是阿波罗17号的宇航员,一位训练有素的地质学家,哈里森·施密特。他展示了一张由美国宇航局月球勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter)拍摄的阿波罗17号着陆点的最新照片。月球勘测轨道飞行器的使命就是在过去的10年里不断地对月球进行测绘。同时,这个飞行器还记录下了月球车在运输样品后,车轮留下的深灰色沙丘状的轨迹。由于月球上没有风和大气,这些足迹到现在依然清晰可见。
 
阿波罗17号安装在着陆点的主动地震实验装置(Active Seismic Experiment )显示在施密特的太空靴下大约有10~12米深的风化层。 “这里的风化层要比其他地方的深一些,” 施密特指出。
 
当谈及部署阿波罗月球表面实验系统(ALSEP)的科学仪器设备时,施密特出人意料地苛责了自己。“为什么我没有走个50-80米把ALSEP部署在这里,” 他指着登月舱附近的一个区域(这个区域对他这样的地质学家来说显然更让人兴奋)说,“而将它最后布置在这样一个不太好的地方呢?我没法告诉你们”。在听众的笑声逐渐平息下来以后,83岁的施密特继续补充说:“当你下到陨石坑里的时候,情况看起来会很不一样。”
 
在1972年末的最后一次任务中,施密特和他的同伴吉恩·塞尔南还在陶拉斯-利特罗山谷采集了一个月核样本。这个样品随后就被密封,并且从那时起就再也没被开启过。今年早些时候,新墨西哥大学的地质学家奇普·希勒(Chip Shearer)宣布,他很快将开封该月核样品,并使用最新的技术对其进行研究。相信研究结果将会进一步加深人类对月球的科学理解。
 
 原文链接:https://physicsworld.com/a/giant-leaps-for-knowledge/
 
▲本文为Physics World 专栏的第25篇。
 
版权声明
原文标题为“ Giant leaps for knowledge ”,首发于2019年7月出版的 Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
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