我国嫦娥五号探测器已成功在月球正面着陆。着陆地点有何特别？为何去月球“取土”？过程有多难？样品怎样带回地球？专家解读来了。
撰文/记者 李鹏 图文编辑/陈永杰
图片来源/视觉中国（除署名外）
新媒体编辑/房永珍
采访专家：
郑永春（中国科学院国家天文台研究员）
肖 龙（中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授）
▲在北京航天飞行控制中心拍摄的落月后的嫦娥五号探测器。（新华社记者金立旺 摄）
11月24日4时30分，嫦娥五号发射成功，正式开启我国首次地外天体采样返回之旅。11月30日，凌晨4时40分，在科技人员精确控制下，嫦娥五号探测器组合体顺利分离；12月1日23时11分，嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区，并传回着陆影像图。
嫦娥五号将如何取回"月球土壤"？月球"挖土"有多难？取回的“土”有何用处？
▲嫦娥五号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像（图片来源：中国探月工程微信）
为何选择吕姆克山区域？这次嫦娥五号采样地点瞄准的是吕姆克山。对很多中国人而言，吕姆克山是一座十分陌生的山，不少人这几天才第一次听说它的名字。
吕姆克山的山坡十分陡峭，也正是这些山坡将山体和周围的月海分隔开，周围为平原所环绕。在吕姆克山峰顶有多个由火山熔岩冷却形成的环形月丘。这些月丘有数百米的缓坡，表面均匀平滑，具有很强的月海地层光谱特征。
▲嫦娥五号采样地点（图片来源网络）
科学家们认为，这些月丘是由火山口喷出的缓慢冷却的熔岩形成的。吕姆克山表面存在撞击坑、皱脊、月溪、火山穹窿等多种地貌，其中火山穹窿是最为突出的火山地貌，这构造是岩浆物质向地表运动或向外喷溢时形成的大型穹窿状隆起。由于火山穹窿形成时间相对较晚，这也让其本身及周围区域成为了研究月球构成的绝佳地点。
科学家分析认为这里土壤体质更年轻，富有铀、钍、钾等放射性元素，根据遥感数据，吕姆克山脉东部区域发现20亿-13亿年以前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识，研究价值高。因此,吕姆克山被中国科学家们圈定为嫦娥五号采样的区域。
"当我国决定在月球上采样以后，我们就开始在月球上选择理想的采样地点，当时吕姆克山就已经被我们作为一个重要的备选点。"肖龙告诉记者，他当年也是嫦娥五号科学目标论证专家组的成员之一。
▲这张月球上的吕姆克山照片是阿波罗15号（Apollo 15）的航天员于1971年拍摄的。（图片来源：我们的太空）
吕姆克山作为嫦娥五号的采样点被确定以后，肖龙团队开始开展更为深入的研究。2017年，美国地球物理学会曾经报道了肖龙团队对我国嫦娥五号着陆点选址工作的研究成果。他们在吕姆克山共识别出22座火山穹窿。在研究中，他们利用日本"月亮女神"、印度"月船一号"数据对吕姆克山脉的成分进行了研究。该区域主要矿物类型为高钙辉石，主要岩石类型为低钛玄武岩。
11月5日《自然》刊文认为，嫦娥五号在吕姆克山区域的采样可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。
美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室行星地质学家、美国国家航空航天局（NASA）月球分析小组科学主席布雷特·德内维也表示，中国选择了一个具有重大科学意义的地点，这里采集样本的年龄，将是行星科学领域的一大飞跃。
取样难度有多大？嫦娥五号着陆器设计了两种采样方式：一种是机械臂采样，用机械臂的头部铲取月球表面的土壤样品；另一种是钻孔采样，郑永春表示，在钻探中嫦娥五号将钻取约2米深的月壤岩芯柱。
为何要钻取2米的深度取样？郑永春表示，因为岩芯是一层一层堆积起来的，记录着月壤不断翻转、掩埋、堆积的过程，只有通过岩芯样品才能更好地研究月壤的形成过程。
▲嫦娥五号采样地点模拟图（图片来源网络）
"与月表的月壤比较起来，岩芯样本形成的时间可能不太一样，下面的可能要年代久一些，根据我们研究美国阿波罗号钻探采集样本的经验，深部月壤的密度等也会存在一些差异，另外深部少有外在的扰动，在有些方面的研究和探索上有着独特的优势。"肖龙表示。
但是肖龙告诉记者，在月球钻取2米深度取样也是一项富有挑战性的工作，中国在月球上还从来没有干过这样的事情，他希望这次嫦娥五号取样时最好不要碰到坚硬的岩石。目前已经知道几乎整个月球表面都覆盖着一层细粉状的月壤，其厚度在2-10米之间。
肖龙表示，就是进行2米的钻探，主要目的也是希望把月球表面以下的月壤带回地球进行研究，尽管钻探挖掘中也有可能取出小颗粒的月岩，但是肖龙告诉记者，嫦娥五号本次的钻探取样并不希望遇到大块的月岩。
"这和在地球上钻探并不一样，地球上钻探遇到硬度大的岩石，我们可以想办法将岩石进行破碎，但是月球上钻机依靠的是太阳能，破碎岩石可能功率不够，另外取样的是软管和用软布做成的袋子，如果钻出很长的坚硬岩芯，就会很麻烦，它们有可能会破掉，因为钻探取样都是按照收取细腻的颗粒物来设计的。如果是遇到大块的月岩，要成功取样的难度也非常大，因为会导致钻探堵塞、卡住。"
▲嫦娥五号结构图（图片来源网络）
"不过在嫦娥五号本次行动之前，也要以防万一。也就是万一钻探到了坚硬的岩石或者大块儿的石子怎么办？"肖龙透露，为了应对这种情况，他们也提前从土壤的性质、岩石的状况进行了一些研究，并模拟月壤和月岩，从工程技术的角度进行大量的实验。钻具什么时候会发热，电机什么时候会烧掉，都需要实验验证。
肖龙告诉记者，本次在月球上钻探取样要争取迅速完成，因为能源供给有限，无法支撑太长的时间，但是也不能太快，因为钻具发热以后其并不像地球上一样可以用水等冷却液进行冷却。
因为嫦娥五号要在吕姆克山钻取2米深度的岩芯，国际社会也对中国的本次探月行动充满了强烈的期待。对嫦娥五号月球采样高度关注的《科学》杂志最近指出，嫦娥五号在月表着陆后，其从月表铲取一些月壤样品，并钻探到月表之下2米采集月壤岩芯，这些样本将有助于科学家进一步厘清月球的年龄。日本大阪大学宇宙化学家寺田健太郎则表示，中国获得的月球样本将有助于科学家绘制出更清晰的月球历史图景。
月球土壤怎样带回地球？要想将一部分月壤样本带回地球，毫无疑问，我们需要有一个从月球起飞的火箭（即上升器），它能够携带着这些月球纪念品离开月球。
但是，在离开月球之后，探测器会有若干个选择：在月球轨道上停泊一会儿，或者是直接返回地球。
但是，由于人类目前还没有在月球建立火箭制造基地，因此这枚上升器必须由地球出发，再将封装好的月壤样品送回地球表面。这就意味着上升器需要携带有返回地球所需要的全套物资，就会导致其变重。而如果上升器变重，相应地，就需要更多的燃料才能将其送到月球表面，最终会导致探测器整体起飞质量的大幅增加。
即使"长征五号"是我国现役运力最大的火箭，也很难满足，毕竟它月球转移轨道的投送能力是8吨左右。因此，我们的上升器为了多装月壤，只能轻装上阵，放弃一些不必要的物资，在月球轨道上飘一段时间。
▲嫦娥五号任务示意图（图片来源网络）
既然在月球轨道上有一个等待返回的火箭，那么势必需要一个轨道器待命，为火箭提供返回地球的动力。而一般的轨道器是不具备再入设计的，因此，需要一个再入器，来抵抗火箭以接近第二宇宙速度再入地球时产生的高温。
同时，为了减少返回的负载，在对接完毕之后，上升器还需要进行样品的转移与交接，将样品从上升器中装入再入器，进行封装。
最后，我们还需要把上升器从月球轨道上送下去，也就有了着陆器的设计。所以，相比于前面嫦娥一号到嫦娥四号的月球探测器，嫦娥五号的结构复杂得多，足足有4个主要部件——上升器、着陆器、再入器和轨道器。
为何去月球"取土"？中国科学院国家天文台研究员郑永春表示，人类现在认识月球除了遥感手段外，最重要的就是拿到样品，在实验室开展精细分析。其有两种方式，一种是在月球上建立实验室或者实验平台直接展开研究，另一种是将样品直接带回地球进行研究。目前，人类还没有在月球上建立实验基地或者实验平台，将样品带回地球再进行研究就成为唯一的选择。
月壤是研究月球的绝佳样本。中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授肖龙说，月球表层的月壤由月球岩石在遭受小行星和微陨石撞击、太阳风轰击及宇宙射线辐射等空间风化作用后形成，其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质，既可以了解月球的地质演化历史，也可以为了解太阳系活动等提供必要的信息。
不过从月球上将月壤带回地球并不是新鲜事。1969年7月至1972年12月，美国通过阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务，除了阿波罗13号遭遇失败外，6次任务共带回月壤和月岩样品约381.7千克。此外苏联月球16号探测器从月球丰富海取回了101克样本，月球20号探测器和月球24号探测器则分别采集到55克与170克样品。
▲阿波罗15号宇航员收集的最大一块月球样品，重77克（图片来源/NASA）
通过这些样品的研究，人类获得了很多对月球的认识，并且基于采集回来的月球样本，人类建立起了月球45亿年的演化历史。"可以说，除了靠遥感数据获得对月球全球性的认识之外，绝大部分与月球有关的发现，都来自月球样品的实验室研究。"郑永春说，甚至地球之外的整个内太阳系所有行星的地质演化历史，都是在参考月球样品绝对年龄的基础上建立起来的。
不过以前美国和苏联的这些样品大多来自月球正面中低纬度的月海区域，形成年龄集中于42亿-32亿年前。但是科学家们在确定这个范围之外的月球历史事件所对应的时间，全部是以此为锚点，再参考其他观测结果，譬如撞击坑的数量和密度统计后推来的。然而基于撞击坑统计建立的月球45亿年历史，在 10亿-30亿年这个时间段几乎完全是空白。这相当于之前我们只在月球很有限的一部分区域内，找到了形成于一小段时间里的"化石记录"，却要用来定标整个月球45亿年的历史，甚至还用来外推到其他类地行星。
▲阿波罗12号任务的一大亮点是月球表面的岩石。它是地球上曾被检验过的少数角砾岩标本之一（图片来源：NASA）
"这意味着我们对月球的认识不管在空间上还是时间上，都是非常不全面的。"郑永春表示，唯一的解决方法，就是重返月球，采集到更多来自不同地质背景，形成于不同历史时期的月球样品。唯有如此才能完整还原月球的历史，才能真正全面认识月球，认识地月系统，甚至认识整个太阳系的过去。这就是嫦娥五号"挖土"采样的价值所在。
如同地球上不同地方的地质构成一样，往往位置不同，月壤的构成也有很大的区别，在新的位置采集样本，以此研究往往会得出不一样的结论。因此，国际上高度关注本次嫦娥五号采样。
（本文部分内容来源："中国科普博览"微信公众号）
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
欢迎朋友圈转发
公众号、报刊等转载
请发邮件至bjkjbeditor@163.com
未经授权谢绝转载，违者必究
阅读更多权威有用的科普文章、了解更多精彩科技活动，请下载“科学加”客户端。
