如何描绘一幅完整的太阳系历史？答案竟在月球陨石坑里

编者按：本文来自微信公众号“造就”（ID:xingshu100），36氪经授权发布。

作者 | 黄一成

版面 | 田晓娜

在华盛顿海军研究实验室一个明亮的白色房间里，有一个透明的塑料箱子，里面装满了来自天外的碎片。

这些碎片是从南极冰层中搜寻到的陨石，以及年龄可能大过太阳系的物质颗粒。

地质学家凯特·伯吉斯（Kate Burgess）从箱子里拿出另一个宝藏：一个小小的特氟隆（聚四氟乙烯）瓶子，里面还用特氟隆又包了两层。

这个神秘的宝藏是1972年阿波罗17号的宇航员从月球带回来的土壤。

阿波罗17号带回的岩石样本 

小瓶子里只有很少量的月球土壤，但其中的科学价值却是巨大的。

月球土壤的独特之处在于，它们亿万年以来都几乎不受干扰，并始终暴露在强烈的太空辐射下。

伯吉斯用一台能看到原子的强大电子显微镜观察标本，希望能找到证据来证明，强烈的辐射是如何改变土壤颜色的。

这样的研究听起来很小众，但它背后却是一个宏伟、甚至美丽的想法。

伯吉斯正在努力使月球岩石成为探索宇宙的指南针。

她正在研究，土壤的颜色有多少是由成分决定的，多少是来自宇宙的侵蚀影响的。她说，搞清楚这一点有助于确定望远镜观测到的天体（比如小行星）的成分组成。

月球样本由此成为了我们与宇宙之间的纽带，让人类得以更深入地了解外太空。

遍布陨石坑的月球表面

对行星科学家来说，月球样品是无价的——月球自形成以来变化不大，这使得它成为一个“时间胶囊”，一部记录了地质变化的《创世纪》。

月球上的第一个脚印

迄今为止，人类共完成了六次登月任务，宇航员共带回了842磅的月球岩石、砾石和土壤。

“毫不夸张地说，这些岩石改变了我们对太阳系的理解，改写了太阳系的历史。在阿波罗之前，我们真的不知道月球是如何形成的，”美国罗格斯大学的行星科学家朱利安·格罗斯（Juliane Gros）说。

研究地质学就是研究历史。从这个角度来说，地球在持续不断地破坏其自身对于历史的记录。

“地球是一个巨大的破坏机器。我们有风、有雨、有冰，有各种天气，它们在不断地侵蚀地表的岩石，”格罗斯说。

地球的地壳始终处于移动和变化中。古往今来，岩石被“回收”到地底、重新融化，并随着大陆板块相互撞击而重新形成。

但月亮没有抹去它的历史。格罗斯说，除了小行星撞击外，“月球自形成以来没有多大变化。这使得它成为一个‘时间胶囊’，记录了我们太阳系的历史。”

阿波罗11号带回的岩石样本

“一块月亮岩石，就是一个小宝库，”格罗斯如是说。

小时候的她曾经梦想成为一名宇航员，但最终由于对失重感到眩晕而不得不放弃了这个梦想。

她说，通过和这些岩石打交道，“让我也在某种程度上能够成为宇航员”。不同的是，她和同事并不是在探索太空，而是在探索时间和历史。

“（月球）地壳基本上是一个‘图书馆’。我们需要学习如何阅读和解释这些历史存档。”格罗斯说，在这个“图书馆”中，最重要的莫过于那些有关地球和月球最初是如何形成的“文件”。

阿波罗16号带回的月球岩石

1972年，阿波罗16号带回一块4磅重的月球岩石。它主要由乳岩组成，是一种由熔融岩浆形成的岩石。月球地壳主要是由像这样的岩石组成的，这告诉科学家，月球的形成环境是非常“暴力”的。

大约45亿年前，尚处于萌芽阶段的太阳系是一个非常混乱的地方。

不久之后（宇宙学意义上的时间），太阳突然爆发，巨大的气体球将氢原子融合在一起并点燃（一直燃烧到今天）。太阳这颗年轻的恒星仍然被碎片包围，这些碎片相互撞击形成行星。

大约在这个时候，地球（或者说是地球的前身）被另一颗可能相当于火星大小的行星击中。

地球和月球形成的示意图

这次灾难将两个世界融合在一起，形成了我们现在生活的地球。同时，碰撞的力量也让两个星体喷射出一些物质，而这种物质融化在一起形成了月球。

早期的月亮被岩浆的海洋所覆盖，漫长的一段时间过去，岩浆沉降、冷却，月球最终成了我们今天所知的模样。

这样来看，地球和月亮是仿佛一对双胞胎。

仅仅依靠一块岩石，科学家便推演了上述这一切：斜长石的密度不高，属于在岩浆海洋表面冷却时所出现的矿物类型。行星科学研究所的资深科学家达比·迪亚尔（Darby Dyar）说，当月球形成时，斜长石遍布月球表面，形成了地壳。

而这仅仅是月球岩石讲述故事的开始：月球的陨石坑还记录了太阳系的历史。

月球地壳遍布陨石坑，而科学家们已经能够利用阿波罗采回的样本来精确确定这些陨石坑形成的日期。

月球上的陨石坑

月球地表的变化远远小于地球，但这并不意味着它从未改变。小行星一次又一次地对月球撞击，形成了无数的陨石坑，有些大型陨石坑甚至在地球上都能肉眼看到。

通过对月球陨石坑进行年代测定，可以让我们知道其他星球陨石坑的年龄。陨石坑越大，它们的年代就越久。“现在我们有了关于太阳系撞击的美丽历史，”迪亚尔说。在其他行星，比如水星上也有陨石坑，而我们现在知道了水星陨石坑的年龄，“因为我们有一套来自月球的参考系统”。

了解月球陨石坑的年龄后，科学家们还做出了另一个惊人的假设：太阳系最外层的行星，也就是木星、土星、天王星、海王星，改变过公转轨道。

陨石坑显示，在行星形成大约6亿年后，有一段猛烈的轰炸期，这意味着月球被许多小行星撞击过。这非常奇怪，因为那个时期应该不会有如此疯狂的小行星碰撞现象。

格罗斯说，一个可能的情况是，如果这些大型的气体行星向太阳靠拢然后再远离，“它们就会干扰小行星，把小行星抛到周围造成碰撞。”

科学家们仍然不能确定情况是否如此。但如果没有月球岩石，上面的假设可能根本无法做出。

我们从为数不多的月球岩石中了解到了极多的信息。行星地质学家还希望有更多的样本，原因之一是，在所有阿波罗登月任务中，飞船都降落在月球赤道附近，而科学家们希望能够研究其他地区的样本。

迪亚尔说：“试图从几百公斤的岩石中解释月球的历史是非常令人沮丧的，我们没有任何来自月球靠近极地的样本，也不知道我们能否找到其他有趣的科学现象。”

月球的南极

美国宇航局计划在2024年再次将人类送上月球。该计划的宇航员将会“拜访”月球南极的陨石坑，称为“南极-艾特肯盆地”（South Pole–Aitken basin）——月球上最大、最深，也是最古老的陨石坑之一。形成这个盆地的撞击能量非常强大，甚至将月球的地壳和内部都暴露了出来。

此外，科学家无法直接研究地球的地壳，而月球则提供了有益的帮助。格罗斯说：“如果能再多获得一些月球样本，就可以帮助我们理解为什么地球有如此活跃的地质活动，而月球却没有。”

这些知识有很多实际意义。例如，将来如果人类想要开采某颗小行星的金属和矿物，提前了解小行星的确切地质构成将大有助益。

人类有很多理由重返月球并建立长期居留地。

月球是一个很好的实验室，可以训练宇航员在深空任务中更好地生存；月球是一个很棒的发射场，可以用来执行飞往火星或更远星球的任务。月球也有可能成为一个开采自然资源的好地方。

伯吉斯最喜欢的发现之一，是粘在月球泥土上的氦。

她说，氦“是被困在月球上的太阳碎片”。太阳从各个方向吹出气体和粒子，月亮像海绵一样吸收了其中一些碎片。这一发现具有肉眼可见的实际意义：氦是地球上日益稀缺的资源，未来也许我们可以在月球上开采。

月球土壤样本

研究月球就是研究地球。

“我一直认为，人类要回答的最重要问题是，我们是孤独的吗？地球是独一无二的吗？”迪亚尔说，“研究月球岩石可以帮助我们回答这个问题。”

搞清楚我们的太阳系是如何形成的，我们的星球是如何形成的，有助于我们了解地球有多么“特别”。如果月球从未存在过，地球的面貌会和现在大相径庭（例如，就不会有海洋潮汐）。

“没有月球，我想人类可能永远不会仰望天空思考，’”格罗斯说，“也不会有好奇心去开发各种技术和工具，离开我们自己的星球。”