解析月球的“禮物”
——記中國科學院地球化學研究所副研究員李陽

吳 彪 季 蓉

李陽組織并主持第一屆“地外資源開發與利用研討會”時的留影

2020年12月17日凌晨，“嫦娥五號”返回器攜帶月球土壤樣品，采用半彈道跳躍方式返回地球，在內蒙古自治區四子王旗預定區域安全著陸。此次“嫦娥五號”帶回了1731克月球樣品，這是我國迄今為止最復雜、最雄心勃勃的航天飛行，也是我國首次完成地外天體樣品采集。它完成了一次特殊的使命——將月球原生態土壤帶回地球。

月球上的巖漿活動何時停止？曾經的巖漿活動如何維持？月球內部是否有水？這些科學問題一直是人們熱議的話題，并持續受到關注。這次被帶回的原生態月壤，為解決上述問題提供了絕好的機會，讓全世界的科學家欣喜不已，其中就有中國科學院地球化學研究所（以下簡稱“中科院地化所”）副研究員李陽的身影。透過月壤，他看到了月球研究的光明前景，也看到了月球研究能夠取得新突破的希望。

被月球吸引

2007年的秋天，還是一名大四學生的李陽在學校的報刊欄看到了一則十分新奇的新聞：中國將在10月份發射“嫦娥一號”探月衛星，正式開展月球探測工程。在看到新聞的一瞬間，李陽覺得這是一件非常有趣的事情，盡管并不了解，但他卻對此產生了無比濃厚的興趣。于是李陽開始在網上搜索關于探月工程和“嫦娥一號”的相關資料，進一步了解到中科院地化所的歐陽自遠院士是探月工程的首席科學家。

“在我讀書的時候，許多人還在討論如何采礦、如何煉鋼鐵，而那時卻有一位科學家已經開始關注地球以外的事情，歐陽老師真的是非常有遠見。”李陽很快做了一個對他今后人生意義重大的選擇：考取中科院地化所的研究生，將來成為行星科學的研究人員。

下定決心之后，李陽鼓足勇氣給歐陽自遠院士寫了一封郵件。“歐陽老師很快就回復了我，他說非常歡迎我來地化所，并讓我聯系王世杰老師。”懷抱著探索之心的李陽，以研究生考試第二名的成績被中科院地化所錄取，拉開了他研究月球的科研序幕。

最好的方式

在“嫦娥五號”帶回月球土壤樣品之前的歲月里，中國科學家研究月球或者其他行星的方式主要有兩種：

一是研究隕石樣品。既然去不了月球，那就研究天上掉下來的東西。以歐陽自遠院士為代表的行星科學家選擇的第一個研究對象就是隕石，這些從天上掉下來的隕石是構成太陽系固態行星、月球和小行星的初始物質，也是研究月球科學與行星科學的基礎。

二是進行模擬實驗研究。隨著科學研究技術條件的改善，中國科學家有了能夠模擬月球或者其他行星環境的設備。“比如說搭建離子注入機可以去模擬太陽風的輻射，脈沖激光器、輕氣炮和高速粉塵撞擊模擬微隕石轟擊過程，高低溫變化的實驗艙可以去模擬熱疲勞的過程。”李陽介紹說，盡管隕石樣品研究和模擬實驗研究是行星科學研究非常重要的研究方法，但都存在很大的局限，這兩種研究方法對行星科學來說都不是最好的研究方法。“最好的方式是我們能夠自主研發探測器和載荷到月球表面開展探索活動，拿到第一手的原始數據和采回來的樣品。”

2020年，李陽成為中國科學院戰略性先導科技專項培育項目子課題“月壤演化動力學過程實驗模擬”的負責人，他與合作伙伴一起通過多種技術手段，從微觀角度探索月壤形成的演化過程。對李陽來說，他在子課題背后的最終研究目標，是為月球形成和時空演化建立完整的科學模型，給未來的月球探測提供重要的依據。隨著“嫦娥五號”順利返回地球，李陽說的“最好的方式”已經成為現實。

目前，已公開申請和發放了4個批次的“嫦娥五號”月球樣品，涉及的研究內容非常廣泛。李陽參與組織了多次中科院地化所申請“嫦娥五號”月球樣品的活動，“第一輪申請我們得到1個樣品，第二輪申請我們得到了10個樣品，第三輪我們得到了4個樣品，第四輪申請我們得到3個樣品。我們目前做了一些科學研究工作，發現比之前通過隕石或者模擬實驗研究的效率高太多了”。

我國“嫦娥五號”探測器采集到位于風暴洋北（43.06°N、51.92°W）的月球樣品并返回地球。同位素年代學的分析結果已證明了“嫦娥五號”樣品具有當前已知最年輕的玄武巖年齡（大約20億年），且結合前期研究結果可知，“嫦娥五號”采樣區表面月壤的形成年齡和空間暴露歷史小于阿波羅月壤的平均值。因此，“嫦娥五號”樣品可能保留了月壤形成與演化初期階段單質金屬鐵形成機制的相關信息。

李陽和研究團隊在以上思路的指引下，結合前期隕石學研究成果，開展了“嫦娥五號”鏟取月壤粉末樣品中單質金屬鐵的多種成因機制研究。實驗結果表明，“嫦娥五號”月壤樣品中鐵橄欖石顆粒的邊緣普遍具有含氣孔納米金屬鐵、無定形富硅組分及富鎂層共存的特征，熱力學計算與電子損失能量譜（EELS）分析顯示納米金屬鐵內部的納米級囊泡或由氧氣（O2）和氧化硅（SiO）氣體形成。此外，鐵橄欖石顆粒表面的微隕石坑中也存在大量原位微隕石沖擊形成的單質金屬鐵，并通過EELS檢測發現伴生的三價鐵離子。“這些研究證實了月壤中單質金屬鐵存在新的成因機制，為‘嫦娥五號’著陸區月壤形成與演化過程研究提供了參考依據，并為后續月球、小行星等返回樣品分析提出了新思路，對于闡釋太陽系無大氣行星體表面性質具有重要意義。”李陽說。

相關研究成果以《嫦娥5號月壤中鐵橄欖石分解產生的納米相鐵顆粒：對撞擊過程中熱效應的影響》和《嫦娥5號月壤中歧化反應成因單質金屬鐵的發現》為題，分別發表在《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）和《自然·天文》（Nature Astronomy）上。“從我自身體會來說，‘嫦娥五號’月壤樣品給中國乃至世界月球科學研究提供了絕佳的機會。”李陽說道。

傳道授業解惑

1978年，時任美國國家安全顧問布熱津斯基訪華帶來了一件非同尋常的禮物——1克“阿波羅”登月航天員采回的月球巖石與土壤樣品。這件樣品一半留給北京天文館，向公眾科普月球知識；另一半，則被歐陽自遠院士帶回貴州開展研究。

歐陽自遠院士組織全國各地相關研究領域的科學家聚集在一起，對“阿波羅”月壤樣品進行分析，最終寫出來14篇論文，甚至確認了它是來自美國航天員登月時采集的70017-291號樣品。“中國是有能力搞月球探測的！”1993年起，歐陽自遠院士團隊開始了長達10年的中國月球探測科學論證。

14年后，2007年“嫦娥一號”衛星發射升空。如今15年過去了，月球探測的接力棒交到了新一代年輕科學家的手中。放眼未來，到2031年之前，中國的科學家將依靠自己的衛星帶回的月球樣品、小行星樣品和火星樣品，繼續推動中國行星科學向世界一流邁進。

前人栽樹，后人乘涼。老一輩科學家從無到有、從有到優、從優到精，花費了幾代人的努力，才有了今天“嫦娥五號”的完美返回。作為科技工作者，能夠親身參與月球樣品的研究工作，對李陽來說，是榮譽也是責任。在科研之外，如何為中國行星科學及深空探測工程的長遠發展培養后備人才，李陽有著自己獨特的思考。“像我們平時課題組開組會，除了討論具體的實驗數據或者是實驗進展的問題，還要討論科學研究的理想和信念。因為理想信念才是一個人做事情源源不斷動力的來源。”

同時，李陽非常看重學生在創新方面打破常規的能力。在他看來，科學研究跟著他人做是沒有太大意義的，只有敢打破常規，敢為人先，才能有新收獲。李陽擅長的微區電子學分析，在技術方法、形成機制研究方面積累了多項創新成果。“我們沒有選擇跟著任何人做，是我們自己先做起來的。現在國際同行對我們的工作非常認可，我相信再過一段時間，可能也會有國際同行跟著我們的方向開展研究工作。”

如今，美國、英國、印度、以色列等國家都在準備著各自的月球探測計劃。李陽認為在如此激烈的國際競爭中，為中國的探月工程繼續貢獻力量，是每一位科技工作者義不容辭的責任和義務，他將一往無前，持續在月球研究領域深耕。“我期待在不遠的將來做出更多更好的成果。”李陽充滿自信地說道。