2020 年 12 月 17 日，嫦娥五號攜帶著 1731g 月壤返回地球；1731g，對于無數(shù)航天人來說，這是夢想的重量。
2021 年 10 月 19 日 17 時，《自然》雜志發(fā)表了來自中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所李獻華團隊、胡森團隊以及楊蔚團隊關(guān)于這份珍貴樣品的研究成果，引起了世界性的震動。在這其中，李獻華團隊通過對月壤的分析表明月壤的年齡為 20.3 億年，將月球活動的時間又拉長了 8 億年，這一發(fā)現(xiàn)也極大地提高了我們對月球乃至整個太陽系的認知程度，不可不謂意義重大。
不過，最近在關(guān)于月壤研究的報告中，一些媒體把它誤當成了整個月球的年齡大肆報導(dǎo)并引起了不小的誤會，聽到這個消息的科學家估計會感到非常迷茫。雖然這應(yīng)該是一個百密一疏的細節(jié)失誤，不過還是說明大家對于月壤以及月球的一些基本知識還是非常模糊。當然，這也是我們科普的責任沒有到位，鑒于此，那我們就來做一下相關(guān)科普吧。
1、月壤是什么？
按照目前的主流觀點，月球形成于約 44.25-45.27 億年前，顯然這個數(shù)字才是理論上月球的年齡。與其他的巖質(zhì)天體差別不大，月球最初形成時也只是一個實心的球體，并且也曾有過非?；钴S的地質(zhì)活動，存在過廣闊的巖漿的海洋。經(jīng)過了幾千萬年的冷卻，月球表面的巖漿活動逐漸穩(wěn)定，表面逐漸固化，形成了現(xiàn)在人們觀測到的月球地殼。
在接下來數(shù)十億年的漫長時光中，月球地殼經(jīng)受著太陽風、高能宇宙射線、隕石撞擊等多重洗禮，大塊巖石被破壞，形成了大量結(jié)構(gòu)松散的碎石甚至是粉末，它們稀疏地分布在月球表面，這就是月壤（Lunar Soil）。
部分嫦娥五號采樣月壤樣本。（圖片來源：Nature, Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane）
2、研究月壤的意義
月球不止是深夜天空中的光點；對于如今的人類而言，月球是一座巨大的歷史博物館，也是一個巨大的資源寶庫。因為月球沒有磁場和大氣層的屏蔽，月壤長期直接暴露在太陽風和其他宇宙輻射當中，為研究地球附近的空間環(huán)境或者太陽活動的長期變化提供了珍貴的實驗記錄。而月壤中的同位素信息更是數(shù)十億年前月球地質(zhì)活動的有力見證，一些同位素還可以記錄自己“進入月壤之前”的故事，甚至可以反映太陽系形成之初的種種過程。在資源領(lǐng)域，月表富含氦 3，這是一種未來有可能使用的清潔能源。
可以說，月球處處都是寶；而月壤，是人類與月球之間的一扇大門，更是人類認識太陽系的一塊敲門磚。當記錄了巨量信息的月壤被送進人類的實驗室時，它將成為人類離開地球、走向宇宙的關(guān)鍵一步。
暴露在太陽風、隕石和宇宙輻射中的月球。（圖片來源：NASA）
3、月壤的年齡
按照此次的研究成果，嫦娥五號著陸點附近的玄武巖巖體及月壤樣品的年齡為 20.30±0.04 億歲；我們先來說一下玄武巖。
玄武巖是一種基性噴出巖，也就是火山巖；在月球上，玄武巖是構(gòu)成月海及月陸表面的主要巖石之一，也是形成時間最晚的月表巖石；其形成過程較為簡單，火山活動后滯留于月表的巖漿冷卻結(jié)晶，即為玄武巖，其結(jié)晶溫度約為 1050℃。玄武巖的形成與火山活動密不可分，可以認為，月表最年輕的玄武巖形成時間與月球上最后的火山爆發(fā)時間基本一致。簡單來說，當月球停止火山活動時，最后噴發(fā)巖石的時間就是火山停止活動的時間。
圖為著名的 70017 號月球玄武巖，由阿波羅 17 號登月的宇航員采集。70017 由巖漿結(jié)晶并形成于約 37 億年前，屬于比較“年長”的玄武巖。（圖片來源：NASA）
此次發(fā)現(xiàn)的玄武巖是目前人類已知的，存在于月球表面的最年輕的玄武巖，此前約為 28 億歲，這重新標定了月球巖漿活動的結(jié)束時間，并且一下推進了 8 億年。
月壤的年齡和月球的年齡可不是一回事，正如你從家門口隨便抓一把土，這把土基本不可能是和地球同時形成的，有四十多億歲的高齡的土；它可能只是去年夏天一樓的大爺從身上搓下來的泥丸子風干后的產(chǎn)物。不過月球上目前沒有搓泥丸的大爺，此次研究的月壤來源于月球的地質(zhì)活動，而這次的研究成果的意義在于說明了月球的火山活動一直持續(xù)到了至少 20.3 億年前，而非月球形成于 20.3 億年前，通俗的講，就是月球的地殼在這個時候咽氣了，而不是月球本體剛出生，二者之間的差別還是非常大的。
4、月壤的年齡是怎么測出來的？
在此次的研究中，研究人員一共使用了三種技術(shù)對月壤進行分析：
“離子探針超高空間分辨率定年技術(shù)”、“超高空間分辨率同位素分析技術(shù)”、“納米離子探針分析技術(shù)”
同位素地球化學國家重點實驗室的離子探針。（圖源：中科院廣州地化所）
看似高大上，實則也確實高端大氣上檔次。按照原理，實際上的定年技術(shù)可以統(tǒng)稱為“超高空間分辨率鈾-鉛定年法”，是一種基于 U-Pb 法的精確定年技術(shù)，下面介紹 U-Pb 定年法。衰變常數(shù)，符號 λ，表示單位時間內(nèi)某放射性核素的一個單核發(fā)生衰變的概率，其與該核素的半衰期存在以下關(guān)系：
由此可知，對于某一特定核素，其衰變常數(shù)為定值。如果對衰變常數(shù)不了解，可以用半衰期（放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變時所需要的時間）來理解，λ 值愈大，放射性元素衰變越快，半衰期越短。他們本質(zhì)上是差不多的。
在自然界中，主要存在三種鈾的同位素，分別為 234U（占總量 0.006%）、235U（占總量 0.72%）與 238U（占總量 99.275%），其中 234U 含量過低，這里只介紹后兩者。對于這兩種同位素而言，其衰變的最終產(chǎn)物分別是 207Pb 與 206Pb。
以 235U 為例，以 Nt 為現(xiàn)有母體量、N0 為初始母體量、t 為時間，根據(jù)公式：
有：
但很明顯，235U0 是未知量，時間也就不可求，故而，我們需要用其衰變產(chǎn)物 207Pb 進行一些小小的變換：
所以，我們就可以直接測定 207Pb 的含量，以及現(xiàn)存母體的含量235Ut，就可以直接求得時間 t 的大小了，同理，238U 也是這樣測定的，公式如下：
簡而言之，通過同時測定 206Pb / 238Ut 與 207Pb / 235Ut，就可以得到相對準確的時間 t，而且，二者的結(jié)果相互印證，使得這種定年法的精度極高，可以達到千分之一；并且，由于鈾的半衰期很長，這種方法的測定上限也可以達到驚人的 45 億年。
以上就是 U-Pb 定年法理論基礎(chǔ)的簡單介紹，原理并不復(fù)雜，而此次實驗儀器與分析方法的進步讓它發(fā)揮出了更強大的作用。它是本次研究成果的功臣之一，卻也不如某些媒體所言一樣神通廣大，那么輕松就把四十多億年的月球年齡改成了二十多億年。它只能幫助科學家了解月壤中記錄的信息，但是對與新聞報導(dǎo)中的標題黨現(xiàn)象沒有什么矯正效果。
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：天音
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