揭秘月背水密碼，他們僅用18天

　　近日，基于嫦娥六號樣品，中國科學家在《自然》在線發表研究，首次發現月球背面的月幔比正面更干，其水含量不足百萬分之二（小于2微克/克）。

　　研究論文由中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員胡森、林楊挺和南京大學教授惠鶴九團隊合作完成。

　　“我們參與了國家航天局組織的嫦娥六號月球樣品預先研究，去年8月24日拿到樣品，9月10日就投稿了。”胡森對《中國科學報》記者介紹說。

　　從幾克月壤樣品推斷月背水含量，樣品篩選、數據分析、邏輯推理都不可少。而完成這一過程，加上論文撰寫，他們僅用了18天。

　　一氣呵成

　　當日下午，在地質地球所領到5克月壤樣品后，胡森團隊便開始了緊鑼密鼓的攻關——“見微知著”地推斷月球背面水含量。

　　在胡森看來，水對于行星就像“維生素”一樣關鍵，是行星演化歷史、宜居性，以及是否可能存在生命的重要參考。他表示，行星水研究主要包括兩個層面：一是行星表面水狀況；二是行星內部水含量及來源。

　　理論上，科學家預期月球極度貧水。根據月球大碰撞起源假說，約45億年前，一顆火星大小的天體——忒伊亞撞擊了原始地球，拋射出的物質經過重新吸積形成月球。這個極其高溫的撞擊事件導致月球貧水。

　　基于阿波羅號到嫦娥五號返回的月壤樣品，科學家也證實了這一點。然而，目前所有發表的數據都集中在月球正面。由于月球二分性致使正面和背面存在巨大差異，那么月球背面含水量如何？嫦娥六號采集的首個月背樣品為回答這一問題提供了契機。

　　然而，從少量樣品中找到答案并非易事。

　　樣品篩選是研究的第一步，也是關鍵環節。研究團隊在超凈實驗室中使用極細的篩子精心分離出不同顆粒度的玄武巖樣品，期待其中含有磷灰石和熔體包裹體。“尋找這些研究對象很不容易，磷灰石顆粒極其微小，最大直徑不足10微米，相當于頭發絲直徑的1/10；熔體包裹體不僅數量稀少，且分布在橄欖石等礦物中，而嫦娥六號玄武巖中的橄欖石含量極少，尋找它們就像大海撈針。”論文第一作者、胡森團隊成員李林曦介紹說。

　　即便如此，團隊成員憑借極大的耐心，在顯微鏡下仔細甄別，在500多顆巖屑中最終確認了160多顆玄武巖樣品。

　　為加快研究進度，在同位素、巖相、年代等實驗分析環節，研究人員“歇人不歇機器”，采取人員兩班倒、機器24小時運轉的工作模式，一周內便拿到全部數據。

　　數據獲取后，研究團隊進入撰寫論文的“閉關”模式。他們充分發揮各自專長，有的負責數據分析和結果討論，有的負責撰寫各章節，還有的負責審核和修改，確保論文質量與科學性。“大家從早上8點工作到晚上11點，經過7天的努力便完成了論文，并在9月10日投出稿件。”胡森說。

　　在這項研究中，胡森與合作者采用多種方法計算月幔水含量，最終確定小于2微克/克，比嫦娥五號樣品更干。此前，他們用嫦娥五號玄武巖測量正面月幔水含量為5微克/克，而前人用火山玻璃珠的測量結果為70微克/克。

　　“這些水主要是以羥基形式賦存的結構水，與老百姓日常認知中的液態水不同。”胡森說。

　　月幔位于月殼與月核之間，其水含量在揭示月球起源、巖漿活動、資源環境效應等方面具有重要意義。這一發現不僅對學界關于月幔“富水”“貧水”的長期爭議作出了答復，更揭示出月球最大撞擊盆地——南極·艾特肯盆地（SPA）的形成過程可能進一步改造了月幔水分，為研究月球早期演化歷史提供了重要參考。《自然》審稿人評價該研究是“月球背面月幔水研究的里程碑”。

　　未雨綢繆

　　凡事預則立，不預則廢。胡森表示，研究團隊如此快速地取得成果，離不開地質地球所前期的未雨綢繆。

　　在2023年7月嫦娥六號發射之前，地質地球所就成立了“突擊隊”，近百名來自多個實驗室的研究員、工程師、學生參與其中。“那時我們就開始討論嫦娥六號樣品的主要研究方向、預期要解決哪些重要問題。”胡森說，雖然研究團隊有嫦娥五號的實戰經驗，不像第一次拿到月壤看到一堆“黑乎乎的土狀面粉”時那樣犯愁，但依然有很多問題需要提前解決。

　　開展月背月幔水含量研究，要用哪種礦物作為研究載體？研究人員也是摸著石頭過河。他們通過查閱大量文獻，創新性提出利用月球玄武巖中的磷灰石和熔體包裹體這兩個“時間膠囊”反演月幔含水量。“玄武巖來自月球內部，是研究月幔水含量的重要樣品。但玄武巖里不是所有的礦物都含水，我們的前期研究表明磷灰石富含水，和早期淬火的母巖漿或熔體包裹體，都可以用作參考標準。”胡森說。

　　此外，在前期研究中，研究團隊還作了一系列假設與猜想，如根據釷（Th）含量與水含量的相關性，推測月壤釷含量低可能意味著水含量也低；SPA撞擊事件可能會改造月幔，進而影響水含量。這些思考和分析為后來的研究提供了重要方向和依據。

　　在胡森看來，實現厚積薄發，個人層面的“綢繆”同樣不可少。事實上，從2010年博士后階段開始，胡森就對行星水研究產生了興趣。那時我國月壤樣品返回任務尚未開展，他就利用火星和月球的隕石打磨這一方面的技術，以期在任務來臨時能夠最大限度發揮個人和團隊的能量。

　　“現在，我們有先進的設備，又有全世界領先的新樣品，肯定能做出世界上最好的成果，這也是中國科學技術發展的必然。”胡森自信地說。

　　澎湃激情

　　自2020年承擔嫦娥月壤攻關任務以來，加班、熬夜對胡森來說是常事。攻關任務開始后，每次觸碰樣品，胡森就會進入一種亢奮狀態，充滿激情與能量。他以“高標準、嚴要求”帶領團隊在知識儲備調研、技術細節把控、實驗流程管理等各個方面進行研究布局。

　　“嫦娥月壤樣品返回工程是國家的重大工程，我們有責任、有義務做好，讓國家重大工程的科學產出最大化。這是榮譽，也是使命。”胡森說。

　　從2020年跟隨胡森讀博至今，團隊成員何會存參加了多次月壤研究攻關任務，每一次攻關都能觸動她。“比如這次研究中，我們要把挑選出的500多個顆粒一粒粒放在黃色膠布上逐一拍照，并轉移到制靶實驗室，再用樹脂將其固結，加以磨制，確保沒有污染。另外后續分析目標礦物時，因為樣品顆粒極小，磷灰石成分檢測困難，這些工作十分耗時。”

　　“這些攻關任務既增強了團隊的凝聚力，也鍛煉了我們這些年輕人承擔責任和壓力的能力。”何會存說。

　　胡森表示，下一步，研究團隊將繼續圍繞嫦娥六號樣品深入研究水相關問題，包括對月表玻璃珠進行研究、追溯月表水含量保存情況。同時，團隊還計劃研究碳、氟、氯、硫等元素，以期更全面了解月球內部物質的特性。