《 淮南子·覽冥訓》:「羿請不死藥於西王母,姮娥竊以奔月。」
《 淮南子·覽冥訓》:「羿請不死藥於西王母,姮娥竊以奔月。」
文:陳泓愷 / 編輯:李文心・2024/6/12・約1700字・閱讀時間約 5 分鐘・
(圖一)明唐寅畫嫦娥奔月 軸
【知識分享】小石頭大故事
前幾天嫦娥六號登陸月球南極—艾特肯盆地(South Pole–Aitken basin)的新聞大家看過了嗎?
如果任務成功,這將是人類歷史上第一次採集月球背面岩石樣本的里程碑。儘管過去數十年人類對月球的了解有長足的進展,但許多問題仍留待解答。例如耳熟能詳的大碰撞假說在化學證據上還有許多無法解釋的弔詭之處,以及透過重力探勘我們知道月球正面的地殼厚度遠小於背面,但具體原因至今仍不清楚。
事實上科學界對於早期月球和它的演化歷史仍所知甚少,而取得來自不同年代、種類以及區域的岩石樣本正是解開這些關鍵問題的第一步。在期待嫦娥六號帶回的月背樣本能帶給我們哪些突破性的發現前先讓我們回顧它的雙胞胎-嫦娥五號取得了什麼有趣的科學成果吧!
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2020年中國的嫦娥五號在月球正面風暴洋的 Procellarum KREEP Terrane 區域進行了樣本採集和返回任務,總共帶回了約1.73公斤包含月壤以及玄武岩碎屑的樣本。
讀到這裡你應該會有一個疑問,什麼是KREEP?
KREEP 中文稱為克里普岩,是富含鉀(K potassium)、稀土元素(REE rare earth elements)和磷(P phosphorus)等不相容元素的特殊火成岩。等等等,那不相容元素又是什麼呢?
形成地月系統的撞擊事件結束後,原始月球的表面產生了數百公里深的熔融岩漿海(magma ocean),隨著岩漿逐漸冷卻結晶,比重較高的橄欖石、輝石類礦物會下沉至地函深處,而較輕的斜長石則會浮在表面成為最原始的月球地殼。在這個逐漸固化的過程裡有一群傢伙卻被遺忘在殘餘的液態岩漿中無法成為岩石,他們正是不相容元素。由於化合價、離子半徑、游離能和電負度等特性,不相容元素難以適當的進入礦物晶格的框架中。在這些住滿了不合群份子的殘餘岩漿終於冷卻後將成為今天的主角—克里普岩。
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由於體積小熱量逸散速度較快,月球在形成後理應無法維持長時間的岩漿活動,然而目前我們知道在大撞擊發生後的數十億年裡這些作用仍在月球上持續發生,地質學家推論形成這些晚期岩漿的熱源很有可能就來自克里普岩中放射性元素的衰變。因此研究這些特殊岩石對了解月球的熱演化歷史與組成有巨大的科學價值,可惜的是過去美國的阿波羅和蘇聯的月球任務帶回的岩石樣本都太過"古老"以至於難以捕捉相對晚期的岩漿活動,並且僅有數量極度稀少的克里普岩樣本而難以解答這些疑問。
儘管距上一次月球採樣任務(1976年月球24號任務)已超過四十年,但這段時間裡我們透過衛星取得了大量的月面遙測資料,其中就包含了更新年代估計的月球地質圖*註1和可能暗示克里普岩存在的月面稀土元素(例如:釷 thorium)豐度量測。
其中嫦娥五號選擇的著陸點 Procellarum KREEP Terrane 就是滿足高濃度釷、鉀、鈾等放射性元素與年輕玄武岩這兩個條件的克里普岩潛在噴發區域。在2021年10月中國的研究團隊分別在 Science 以及 Nature 期刊上發表數篇文章,他們對嫦娥五號採集的月壤樣本(圖二)進行了包含電子微探、主微量元素、氫、鉛、鈾系和鍶-釹同位素等岩象及地球化學分析後取得了相當有趣的成果。
結果顯示這些樣本除了將月球最年輕岩漿活動的紀錄從約28億年前大幅縮短至約19億年前*註2,更重要的是同位素證據*註3說明這些晚期岩漿事件不管是來源還是熱源都幾乎與克里普岩毫無關係。意即20億年前月球的地函遠比過去所推斷的熱,擁有足以提供岩石產生部分熔融甚至噴發至月表的熱量,而這些熱量不是由來自不相容元素的放射性衰變產生,更進一步暗示月球存在我們未知的熱演化歷史與機制。
(圖二)此處研究分析的嫦娥五號月壤樣本。
因此,毫無疑問取得更多區域、更長時間尺度的岩石是解答上述問題的必經之路。目前正在返航途中的嫦娥六號就嘗試為人類帶來更多上述謎題的解答與疑問,未來數年來自各方的探測器將前仆後繼地前往月面各處,而各國重返月球的背後除了為登陸火星暖身,二十一世紀新一輪太空競賽的影子也隱隱浮現。撇除地緣政治和大國角力,私人企業的商業月球任務也如雨後春筍般冒出,在我們可見的將來月球恐怕將不再是李商隱詩中「嫦娥應悔偷靈藥,碧海青天夜夜心」的那般孤寂荒涼了!
註1:月球的地質年代是透過撞擊坑計數、撞擊事件先後順序與地形推估的相對年代,輔以過去月球任務採集的樣本進行絕對年代的控制所得。
註2:根據上述的月球地質年代最年輕的噴發事件時間上會更晚近,此處紀錄是透過放射性同位素所直接測量到的絕對年代資料(1963 ± 57 百萬年)。
註3:主要為鍶-釹同位素系統,由於87鍶及143釹分別由87銣及147釤衰變而來,因此量測樣本的鍶-釹同位素就如同取得岩石的遠古指紋,可以獲知初始岩漿的年齡、成分、分化、混和等過程。
背景:阿波羅十一號登陸前所攝月面,西元1969年7月2日攝於月球寧靜海。
延伸閱讀 :
What China’s mission to collect rocks from the Moon’s far side could reveal
China set to fetch first rocks from mysterious far side of the Moon
參考資料 :
Li, QL., Zhou, Q., Liu, Y. et al. Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’e-5 basalts. Nature 600, 54–58 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2
Tian, HC., Wang, H., Chen, Y. et al. Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature 600, 59–63 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5
Xiaochao Che et al., Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5. Science 374, 887-890 (2021). DOI:10.1126/science.abl7957
圖片來源:
《明唐寅畫嫦娥奔月 軸》,收錄於「國立故宮博物院」: https://digitalarchive.npm.gov.tw/Painting/Content?pid=5462&Dept=P。
《寧靜海》,收錄於「美國國家航空暨太空總署空間科學數據中心」:https://nssdc.gsfc.nasa.gov/imgcat/html/object_page/a11_h_37_5458.html。