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月亮与我:人类探月的5位明日之星

07-20 论文查重

原文作者:Alexandra Witze,爱搜网转载

为纪念阿波罗登月50周年,《自然》关注了五位探月工程的风云人物。

 

Megha Bhatt

Megha Bhatt

来源:Shovona Karmakar

Megha Bhatt是从小看着夜空中的月亮长大的。在她生活的印度小村庄里,晚上经常断电,因而也有足够的时间仰望星空。在家里,父母向她讲述美国人如何登上月球并迈出“一大步”的故事;在学校里,她观看了阿姆斯特朗登陆月球表面的录像,并从此一发不可收拾。长大后,她成了一名行星科学家。

 

Bhatt原本计划在7月15日见证印度萨迪什·达万航天中心发射“月船2号”月球探测器(该发射计划已因技术原因推迟)。按照原计划,“月船2号”将登陆月球南极,在月面投下首个来自印度的月球着陆器。着陆器上搭载了一个六轮巡视器,有望让印度成为继前苏联、美国和中国之后第四个将轮式巡视器送到另一个世界的国家。

 

“月船2号”提醒我们,自从半个世纪前阿姆斯特朗迈出历史性的一步以来,月球探索发生了多么巨大的变化。这个曾经只属于少数美国白人男性的领地——跟随“阿波罗”系列任务飞向月球,如今已然变得更加年轻化和多样化,而且,几乎成了机器人的天下

 

除了印度的探月任务外,今年1月,中国历史性地登陆月球背面,预计将于今年晚些时候完成第一次采样返回任务。4月,一家以色列公司将第一艘私人建造的航天器送上月球(虽然是以坠毁的方式)。此外,韩国正在研制首个月球探测器,最早将于明年发射。俄罗斯也在全力打造一系列着陆器,实现几十年来首次重返月球的梦想。另外,美国也计划在2024年底前让一组机器人探测器抵达月表,并再次将他们的宇航员送回月球。Bhatt说:“眼下是月球探索的黄金期。”

 

大量机会的涌现,让新一代科学家蓄势待发,争相拥抱月球科学的未来。当NASA宇航员在1969年至1972年漫步月球时,这些研究人员根本还没出生,但阿波罗计划的影响力之大,几十年后仍能引起共鸣。

 

《自然》采访了五位青年月球研究人员,他们用亲身经历诉说人类对这个地球最近邻居的着迷,以及还有多少未知在等着我们发现。

MEGHA BHATT:矿藏专家

Bhatt的生活轨迹一直都受到月亮的牵引。小时候,她梦想能在印度航天局工作,于是她选择了物理学和电子学。她还读了很多阿波罗宇航员写的书,包括登月第二人Buzz Aldrin的回忆录。后来,她前往德国马克斯·普朗克太阳系研究所攻读博士学位,并在那里结识了一位俄罗斯来访的性格安静的科学家。一直到后来她在电视节目上看到这位科学家时,她才意识到Sasha Basilevsky是前苏联太空计划的核心月球地质学家,曾参与决定了全球最早两辆月球车在1970年和1973年的着陆点。

 

Bhatt可能赶上了在印度做月球科学家的最好时机。2008年,印度首次发射“月船1号”月球探测器。Bhatt当时的博士课题是月球矿物学,正好用到了“月船1号”多个仪器采集的数据。通过研究月球上反射的各种波长的光,Bhatt绘制了不同矿物在月球表面的分布图。她还帮助开发了一种铁丰度的估算方法,这些信息可以揭示熔融初期的月球如何在45亿年前左右逐渐冷却,并开始形成矿物晶体的过程

 

如今,Bhatt在印度国家物理研究实验室继续专攻月球遥感,绘制月球的矿物学地图。她使用的主要是“月船1号”的数据,同时将这些数据与其他月球探测器(如日本2007年至2009年间绕月观测的“月女神”探测器)的数据结合分析。“只有把所有信息整合起来才能看到全貌。” 她说,“就像侦探一样。”

 

Bhatt最想解开的谜团之一是月球漩涡。月球漩涡是指月球上随处可见的神秘浅色斑纹,类似咖啡里的奶油花纹。目前对月球漩涡的形成有几种不同的理论,一种较为流行的观点认为一些地方的磁性岩石就像一把保护伞,保护这些表面不受名为太阳风的宇宙粒子流的影响。这种屏蔽作用让受到保护的月面不会越变越暗。

 

Bhatt一直在研究这些漩涡的矿物学性质,有的漩涡方圆数十公里。在一个具有Reiner Gamma成圈特征的漩涡中,Bhatt发现其表面矿物反射光的方式存在差异,这说明漩涡的不同区域有不同的形成机制。她认为磁性屏蔽说可以解释部分月球漩涡的部分区域,但无法解释所有漩涡。

 

如果“月船2号”发射成功,Bhatt就将开始研究月球车着陆点的矿物组成。这也将是第一个降落在月球高地的贫铁富铝岩石上的着陆器,在此之前,研究人员尚未对该区域的化学性质进行过直接探测

 

这可能会带来各式各样的惊喜。“整个探月界都在期待着这次任务,”Bhatt说。

JESSICA BARNES:岩石侦探

明年的某一天,Jessica Barnes就要走进一个零下20 °C的大型冷库,并将戴着手套的双手放在一块月球岩石上。这块岩石自从1972年被宇航员带回地球后,就一直冷藏在这里。这些阿波罗样品即将迎来首次启封,没人知道样本中究竟会发现什么。

Jessica Barnes

Jessica Barnes

来源:Michael Starghill, Jr

Barnes打算分析这块冰冻月岩的含水量以及其他挥发物的含量。宇航员Harrison Schmitt从月球上陶勒斯-利特罗山谷的巨石上取下了这块样品,同时又从同一块巨石上取下另一块。另一块样本返回地球后一直被常温保存。因此,Barnes有了一个千载难逢的机会来研究这两个样本的区别。

 

如果两个样本所含的水分和其他挥发物相同,那么NASA大可不必在样本返回后费心地冷冻保存。如果两个样本之间存在任何差异,都可能指向新的月球样本保存方法,以确保它们的科研价值多年不变。直到2008年,研究人员才第一次明确地在阿波罗样本中检测到水,这意味着月球并不像前几代人所想的那样干燥。除此之外,Barnes和同事还将研究冷冻阿波罗样本的基本地质情况和化学性质。

 

Barnes原先在苏格兰读的是地质学,后来才转向了月球研究。当时她偶然发现了一个博士职位,需要使用名为纳米级二次离子质谱分析的技术,在极小尺度上分析月球岩石中的化学元素。“当我看到这个职位时,简直不敢相信自己的好运气,”她说, “我将用一种全新的技术研究月球岩石。得到这份工作是我的幸运,我从没后悔过。”

 

她目前在美国宇航局约翰逊航天中心工作,离著名的月球实验室不远,阿波罗岩石就被精心保存在那里以供科学研究。她平时会研究各种各样的月岩,包括她最喜欢的橄长岩。这种古老岩石的乳白色周身镶嵌着蜜褐色的矿物。她说:“这是我见过的最美的岩石。”今年8月,她将前往亚利桑那大学,用她多年的月岩研究经验,为OSIRIS-Rex带回的小行星样本制定保存计划,这将是美国首个小行星采样返回任务,预计将于2023年返回。

 

目前,最让她兴奋的莫过于能参加阿波罗采样项目了,项目下还有其他八个小组,分别负责原始阿波罗岩石样本的不同分析工作。Barnes会定期参加一个会议,在那里她能看到Schmitt——替她取回了这块岩石样本的宇航员。

KATHERINE JOY:陨石猎人

英国曼彻斯特大学的Katherine Joy研究的月岩不是由太空舱护送宇航员亲自带回的。她的专业是月球陨石,专门研究月球受到撞击后散落到地球的罕见碎片。

Katherine Joy

Katherine Joy 

来源:Katherine Joy/曼彻斯特大学

Joy有时候会驾驶摩托雪橇,穿越广袤的南极冰原,自己寻找这些陨石。当雪橇滑过冰面时,她会扫视反光的冰块中是否藏着深色的小岩石。这些散落在南极冰面上的陨石正等着科学家的发现。

 

今年早些时候,Joy参加了英国南极调查局首次组织并资助的南极陨石考察队。在4周的时间里,考察队一共在冰中发现了36颗太空陨石。本月,她将第一次分析这些陨石——搭载样本的慢船刚刚从南极洲抵达英国。

 

她希望至少能发现一块来自月球的岩石。“在我参与的一次考察中,我们设法找到了来自(小行星)灶神星的碎片。” 她说,“但我更想看到的是月球陨石。”

 

地球化学家Joy曾参与分析阿波罗宇航员带回的一些最著名的岩石。2012年,她报告在阿波罗16号采集的岩石中发现了来自古代小行星的碎片——这说明在34亿年前,地球和月球经常受到这些化学性质原始的小行星的撞击

 

月球陨石可以帮助Joy扩大她的研究范围,因为它们来自于整个月球,而不像阿波罗样本只是取自相对有限的地区——月球正面一块地质化学性质独特的区域。

 

迄今为止,科学家已经鉴定出了超过145颗月球陨石,并希望借由它们了解更全面的月球地质构造。今年5月,一颗2013年在南极洲发现的有着43亿年历史的月球陨石中,Joy和同事发现了能证明当时月球上已有火山爆发的证据,比月球火山活动的主要时期还早了数亿年。他们的发现进一步证明,月球上的火山爆发远比研究人员想象的更早。

 

Joy参与的一个合作项目正在为俄罗斯的Luna-27着陆器研制一台欧洲设备,该着陆器计划在2023年后访问月球南极。同时,Joy也为英国政府提供关于行星探索重要性的咨询。对她来说,登月无疑是最大的梦想,可能的话,她还想深入陨石坑,亲自寻找地质年代层。

 

但现在,她首先要搞定这些从南极洲带回的陨石。考察队的经费还够组织一季实地科考,并希望把科考任务做成一个永久性项目,对标美国已开展多年的南极陨石采集计划。

 

每当Joy和同事在冰上发现一块黑点时,她都期望这是一颗月球陨石,这些随机掉落到地球的陨石里可能封存着大量关于月球的信息。她说:“这就是为什么我们不断回到南极寻找更多的陨石。”

CHAE KYUNG SIM:土壤侦探

Chae Kyung Sim肯定不想去月球旅行。在她最近一次从韩国飞德克萨斯的旅行中,她挤在座位上看完了《登月第一人》(First Man),一部讲述阿姆斯特朗登月之旅的电影。在这次并不舒适的长途飞行中,坐在阿波罗号太空舱里的阿姆斯特朗让Sim非常难忘。她说:“看到他挤在太空船里的样子真的太难受了。”

Chae Kyng Sim

Chae Kyng Sim

来源:Sun Young Kim

Sim更喜欢带着她的两个孩子去户外看月亮。孩子们会讨论月亮的亮度和形状的变化,以及他们的妈妈如何在地球上努力解开关于它的许多秘密。

 

因为从小受到了一位热爱天文学好友的启迪,Sim本是一名受过科班训练的行星天文学家,研究木星和土星的大气层。但就在她2014年快博士毕业时,韩国政府第一次对外宣布将向月球发射宇宙飞船。当时,韩国的月球科学家非常稀缺,Sim等人被召集为探月计划构思独特的科研任务。

 

如今,她所在的团队正在开发一种利用偏振光研究月球的照相机。偏振研究可以揭示月球表面的许多细节,如尘埃粒子的大小可以反映月球表面的风化程度。作为首尔庆熙大学的行星科学家,Sim认为这台照相机将是有史以来向月球发送的分辨率最高的偏振测量设备,并将帮助科学家规划今后的月面登陆任务

 

Sim的专业是太空风化,太空风化是指行星表面在陨石撞击和太阳风冲击下随时间变暗变红的过程。Sim一直在研究月球上的太空风化有多少是由这两种作用导致的。她说,解开造成月面退化的各种原因就能了解这个地区的地质历史。

 

她和同事在《伊卡洛斯》Icarus上发表的一篇论文指出,月球土壤的铁含量会影响月壤对太空风化的反应。了解这方面的差异能帮助决定航天器着陆的土壤类型。

 

韩国政府正在规划未来的登月任务,包括发射一个着陆器。目前,它向月球进发的第一步——“韩国探路者轨道器”已计划在2020年后发射升空。一旦数据开始回流,Sim希望这些数据能用来比较月球和其他没有空气的天体(如水星)的太空风化情况。她还期待向全世界展示韩国轨道器的所有发现。

 

 “作为一个外国人,我不太愿意使用其他国家的数据,因为这些任务用的是本国纳税人的钱,而不是我们的钱。” 她说,“我希望能和其他国家的科学家分享韩国的数据。”

法文哲:雷达阅读者

法文哲的科研生涯一直都与祖国的探月工程息息相关。他在中国西北的农村长大,因为物理和化学成绩优异,他可以去大城市的大学继续深造。在他的课本中,绝大多数科学家都来自西方国家。他说:“上面看不到中文名字。”

法文哲

法文哲

来源:法文哲

当法文哲开始在上海复旦大学读博时,他研究的是卫星对地测量,专攻行星表面能量散射的物理机制。2007年的中国正全力以赴发射首颗绕月探测器“嫦娥一号”,而法文哲所在的实验室将负责处理“嫦娥一号”发回的数据。对此,法文哲主动请缨,他终于能为中国的自主科学成果贡献力量了。

 

目前,法文哲是北京大学的一名月球科学家。经过多年来对中国探月数据的深入分析,如今的他还是成功实现人类首次月背着陆的“嫦娥四号”科研团队的成员。除此之外,他所发表论文上也满载了前三次嫦娥任务的重要发现。

 

法文哲计算了月壤中可供宇航员用作燃料的氦-3的含量,并测量了“嫦娥三号”探测器下方不同表层的深度。“嫦娥三号”2013年降落在雨海着陆区,并搭载有一台探地雷达。这台雷达对月球次表层进行了迄今为止最详细的测量,并发现月球次表层的地质结构比之前预想的更为复杂。法文哲说:“我们对月球的探索越深入,我们的疑问也越多。”

 

法文哲不惧挑战传统观点,比如月球极区附近阴影坑内是否存在大量水冰。美国月球侦察轨道器等宇宙飞船宣称在这些撞击坑中发现了水冰的证据;NASA等航天机构认为可以先派宇航员去开采水冰,为将来的月球殖民打前站。但是,法文哲却对观测结果提出了一种新的解读模型。他认为,美国月球侦察轨道器探测到的其实是月表石块的雷达回波,而非来自水冰。“水冰有可能存在,但没有之前想的那么多。” 他说,“我的研究结果对未来探索提出了挑战。”

 

展望未来,法文哲已经准备好迎接“嫦娥五号”发射任务了。“嫦娥五号”最早将于今年发射,目标是把月球样品取回地球。法文哲曾见过阿波罗宇航员采回的月球岩石,但没有亲手触摸过。随着中国即将派出自己的宇宙飞船带回重达2公斤的月壤,法文哲与月球“亲密接触”的机会也终于到来。他说:“有时候我觉得自己非常幸运。”

 

原文以These young scientists will shape the next 50 years of Moon research为标题

发布在2019年7月10日《自然》新闻特写上

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