地球上最古老岩石多少岁？竟是在月球找到的，是大碰撞产生的吗？

　　本文为《航天史》系列连载文章，本期为第 49 篇
　　作者：吴京平
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　　上文书我们讲到了美国人在研究月球车。这辆月球车首先要轻，NASA 当时给出的要求是 180 公斤，这个指标实在是勉为其难，所以最后月球车造出来是 224 公斤。尽管如此，还是可以接受。电池选用了银锌电池，月球车是一次性的，电用光了就扔在月球上，不需要考虑充电。轮子为了减震，采用了钢丝编织的轮胎，用了钛合金做成了防滑条。
　　但是这个月球车摊开了仍然有甲壳虫的底盘那么大。必须折叠才能安全地挂在登月舱的外面。首先是座位的靠背要放倒，车身分成 3 节来折叠。四个轮子也要内八字对折，收起来以后，体积还是相当的紧凑。可以竖着吊挂到登月舱的梯子旁边。
　　这辆车的中控台没有用方向盘，这东西不好折叠。波音想把操纵系统设计成操纵杆，跟飞机是一样的。而且打算把驾驶杆安排在侧边。不在中间。F16 战斗机的驾驶杆就在侧面，不在腿中间，空中客车 A320 的驾驶杆也在侧边。但是后来大家反对这种设计，波音还是老老实实的设计成了放在腿中间的操纵杆。为了肥大的宇航服手套便于操纵，操纵杆设计成了个粗大的＂T＂字形。这样即便是手套很肥，也能握住操纵杆，而且便于两只手用力。别忘了，在月球表面重力小，身体会很轻。可能会身体发飘使不上劲。
　　月球车的操纵杆
　　月球车的中控台也非常现代化，因为月球上，磁罗盘是没有用的，所以仪表盘上还有一个根据太阳方位来计算方向的装置，这就是月球车最简单的一个导航装置了。
　　接下来还有一个难关。在没有空气的环境里，热控变成了一个难题。有阳光照的这一面往往会急剧升温，背光面往往会温度非常低，热胀冷缩不均匀会造成结构变形。现在都是用热管来传输热量，保持航天器的冷热平衡。热管可以说是一种不折不扣的航天科技。
　　1963 年，热管诞生于大名鼎鼎的洛斯阿拉莫斯国家实验室。热管的工作原理很简单，当受热端开始受热的时候，内管壁周围的液体就会瞬间汽化并产生蒸气，此时这部分的压力就会变大，蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体，同时也放出大量的热量，最后借助毛细力回到蒸发受热端完成一次循环。
　　这个东西结构很简单，但是导热效率远超过任何金属。现在，哪个台式机或者笔记本是没有热管的呢？都靠这项技术为 CPU 散热嘛。月球车也需要平衡热量，当时热管技术刚出现，还没有完全成熟。波音设计的一种用氨水作为工作物质的热管因为超重被否决了。所以，必须另外想办法。
　　太空是没有空气对流的，热量的散发全靠辐射。仪器内部的散热就很成问题。特别是电池这种发热比较严重的部分。最后采用了用蜡来散热，温度高了，蜡开始融化，开始蒸发冒烟，这不就带走了热量嘛。当电器不工作，热量低了，蜡也就凝固了，等着下一次再用。登月车带了十几公斤蜡来当做冷却剂。
　　登月车的研究算是比较顺利的，没有延期交付，反而提前了半个月。其他部门可没有这么准时。格鲁门公司研发登月舱用了 52 个月。等得布劳恩都快绝望了。这也是没办法，当时各个承包商的工程师和 NASA 的工程师基本上也都是＂996＂这么干过来的。
　　月球车在马歇尔太空中心接受了严格的测试。专门建立了一个模拟月球表面的测试场，基本上到处都是坑，宇航员就是在这个场地上练习驾驶月球车的。在地上的这 2 辆练习车，用的是固特异的橡胶轮胎。还动用了一架模拟月球重力的飞机来进行测试。这架飞机是一架改装过的 KC135，外号就＂呕吐彗星＂。这架飞机起飞以后，飞到足够的高度，开始做抛物线俯冲，可以制造 25 秒的失重环境。坐过这架飞机的人，有 2/3 都发生了晕机呕吐，顾名思义叫＂呕吐彗星＂。
　　KC-135＂呕吐彗星＂
　　月球车当然也在这架飞机上进行了测试。主要是为了看看在超重或者失重状态下，会不会发生几何变形。在低重力之下，轮胎和月球土壤之间有没有足够的抓地力。前前后后飞了 65 次，实验结果很令人满意。但是我不知道陪着这个月球车进行测试的工程师到底是怎么个状况，是不是吐啊吐啊就习惯了。
　　最后，这辆月球车顺利地被装到了阿波罗 15 号登月舱的侧面。随着飞船一起被土星 5 号发射到了太空。这一次的指令长是大卫·斯科特，他也是个老司机了。曾经执行过双子星 8 号和阿波罗 9 号任务。指令舱驾驶员是沃尔登，登月舱驾驶员是埃尔文，他俩是新手。
　　NASA 的局长宣布了一个不好的消息，那就是阿波罗 17 号以后的登月飞行被取消了，因为 NASA 的钱不够了。所以，为了最大限度地进行科学研究，原来计划的那些任务，都必须压缩到 15、16、17 三艘飞船来干。阿波罗 15 号的任务被重新调整了一下。这 3 个宇航员进行了大量地质学的训练，因为他们要到月球上去寻找古老的岩石标本，哪些石头比较老，还是要靠宇航员们的肉眼去识别。
　　指令斯科特在新墨西哥州做地质学训练
　　阿波罗 15 号的飞行过程和以前大同小异。他们顺利地降落在了月球表面。他们降落在了一个弯弯曲曲的沟槽附近，这个地方叫＂哈得利月溪＂。听这个名字就知道，这是把月球表面这道弯弯曲曲的沟当做是一条小溪了。等到他们降落下来，一看这条沟宽有1公里，深有 400 米，长度有 80 公里，这哪是一条小溪啊，这比一条河都宽。这条深深的峡谷展示出了月球的地表的一个断面。
　　宇航员认为保持生物节律很重要，斯科特和埃尔文就在登月舱里先睡了，反正还有 3 天时间呢。等他们睡足了起来开始工作。穿好宇航服，打开舱门，沿着梯子晃晃悠悠地就下来了，两个人下来以后，来到登月舱旁边，月球车折叠起来挂在舱壁上。因为月球上重量只有地球的 6 分之一，这个月球车大概也就不到 40 公斤吧。两个人先慢慢把折叠的底盘展开，把内八字折起来的轮子打开。车身翻了 90 度，落到了月球表面。把放到下的座椅掰直，就可以坐上去开着跑了。
　　埃尔文在向美国国旗敬礼
　　他们开着车慢慢溜达。一路上在不断地采集岩石标本，现在有月球车代步，他们的活动范围大得多。他们这一次最大的一个收获就是采集到了一块非常重要的岩石标本，斯科特看到这块石头上有很多微小的晶体在闪闪发光，他判定这是一块斜长石。就把这块石头采了回来。
　　这些岩石标本被拿回地球以后，科学家们如获至宝，分析了这块岩石的成份和年龄。这块石头的年龄起码有 40 亿岁，远比地球上任何石头都古老。地球上你找个 35 亿岁以上的石头都很难，月球上的岩石却很容易长期保存，因为月球上没有风化作用，也没有板块运动。地球上就不一样啦，因为存在板块运动，实际上地球的表面岩石圈是有新陈代谢的，石头反而都不够古老。所以，阿波罗15号带回的这块大石头被称为＂起源石＂，这是人类寻找到的太阳系之中最古老的石头之一。
　　＂起源石＂
　　通过对月球岩石的分析。科学家对月球的起源提出了一个大胆的假说，那就是碰撞起源说。
　　早在 1898 年，乔治·达尔文就提出了一个概念，认为月球是因为地球的快速旋转，从地球里面甩出去的。他是提出进化论的那位查尔斯达尔文的二儿子。他没搞生物学，学的是天文学，后来做到英国皇家天文学会的会长。他经过计算得出了一个结论，那就是月球过去离地球没有这么远，月球是在逐渐地远离地球。正好美国阿波罗登月，在月球上面放置了反射镜，用激光对地月距离进行了测量，发现的确是这样。当然啦，现在我们都知道这是因为潮汐作用导致的。不过乔治·达尔文没能解释为什么月亮总是一个面儿朝着地球。
　　乔治·达尔文
　　说实话，这就是第一个月球起源的假说，也就是说，当时的人们认为，在地球刚刚形成的时候是一大坨岩浆。地球快速旋转，导致一大坨物质被甩出去了，就变成了月亮。到了 1946 年，哈佛大学地质系的退休系系主任戴利提出了一个修正，那就是形成月球的这一大坨物质，不是自己甩出去的，而是被人撞出去的。不过这个说法实在太过离奇，在很长时间内都没有得到重视。
　　时间到了 1975 年，也就是阿波罗计划结束没几年。哈德曼和达维斯写了一篇论文。提出了一个假说，也就是说当地球形成的时候，在这一圈并不是只形成了地球一个大行星。而是形成了一大堆个头不大的家伙。其中有一个跟地球撞了，撞击抛射出的那些碎石头和尘埃凝聚成了月球，这个学说可以很好地解释月球的物理和化学性质。
　　忒伊亚和原始的地球撞了
　　后来加拿大和美国的天文学家卡梅伦和沃德也提出了相似的理论。他们认为有一颗跟火星差不多大的原行星和地球撞了。撞击以后被抛出去的都是比较轻的硅酸盐类物质。而那些非常重的铁呀镍啊之类的东西飞不出去。最后和地球的核心融合到了一起。那些飞出去的硅酸盐类物质最后就凝结成了月球，所以月球的铁核心是非常小的。
　　所有的大行星，都会形成行星分化。密度大的成分会降到天体的核心部分，外面都是比较轻的岩石。内部都有一个非常沉重的铁核，密度非常大。一般的岩石行星。内部的这个大铁核起码占了直径的一半，但是月球的这个铁核。根据测算，不到直径的 1/4，月球其实很不一般。
　　月球内核想象图
　　实际上，那一次碰撞也不是唯一的碰撞。早期地球曾经被大大小小的＂砖头瓦块＂撞过几十次。所以有人给撞出月亮的那一颗原行星起名字叫＂忒伊亚＂。根据天文学家的模型进行计算，大家发现，这一次碰撞发生在太阳系形成以后 3~5 千万年。这次撞击还算温和，角度也刚刚合适，忒伊亚自己的那个铁核最后和地球的铁核融合了。被抛射出去的主要是两颗行星地幔里的物质，也就是硅酸盐类。形成这么大一个月球，只花了不到 100 年时间。
　　这个假说的主要的证据就来自阿波罗登月采集的岩石标本，月球上斜长石很多，这说明月球曾经处于熔融状态。碰撞产生的高温肯定会导致月球表面形成一个岩浆的海洋。月球岩石之中含有的锌元素同位素分布也和地球有差异。造成这种结果靠火山喷发是搞不出来的，只有两颗行星发生撞击的时候产生的高温才会产生这种效果。
　　但是碰撞说也有疑问，月球岩石标本之中的氧同位素的比例和地球岩石的比例几乎是完全一样。氧元素最常见的同位素有三种 16O、17O、18O，16O 最多，占了 99.762%。这三种同位素的比例可以当做身份证来使用。从这个角度来看，地球上的岩石和月球上的岩石是同源的。但是忒伊亚的氧同位素比例和地球的氧同位素比例不应该完全一致。因为天下没有那么巧的事儿，刚好完全一样。如果说是它们两个相撞，飞溅出去的那些碎石和尘埃形成了月球，那么月球上的物质必定是两颗行星的混合。那么氧同位素比例应该也跟地球有差异才对啊，怎么会一模一样呢？
　　忒伊亚撞击动画，这颗形成于地球拉格朗日点L4，然后年复一年的朝碰撞点移动
　　长久以来，这一直是个难题。直到最近才有人更精确地测量了这个比例。大家才发现，原来月球的岩石和地球上的岩石氧同位素含量虽然很接近，但是并不一致。这就涉及那场大碰撞之后，两颗星球的物质到底是如何蒸发，如何凝结，如何抛射，如何混合。也有人提出，月球不是一次撞出来的，是多次撞击的产物。到现在为止，这还都只是假说，只是有的假说表现较好，能够解释的东西更多，比如地月系角动量为什么是现在这个分配比例，用大碰撞理论就可以解释的很好。
　　火卫一福波斯
　　纵观整个太阳系，我们应该清楚，月亮实在是一个太特殊的存在。水星金星根本就没有卫星，火星从小行星带里抓了两个歪瓜裂枣来当自己的卫星，这两个家伙黑的跟煤球一样，真是没脸见人。唯独地球的卫星月亮是这么大，这么光彩照人。从地球上看，月亮跟太阳差不多大，这是一个巧合。所以我们地球才看到太阳系最壮观的日全食。
　　现在我们对月球的了解主要依靠的是美国阿波罗登月行动从月球带回来的岩石。当然，其他的月球探测器也做了不少的分析。但是总比不上把样品拿回地球的实验室分析得那么透彻。2020 年底，我国的嫦娥五号完成＂绕、落、回＂的第 3 步，也就是说要顺利降落到月球表面，抓上一把岩石样本，然后飞回地球，把样品送回来。这是非常关键的技术突破，非常非常重要。
　　好，我们还是说回阿波罗 15 号的 3 位宇航员。这 3 位当然也获得了非常高的荣誉。但是他们也捅出了一个不大不小的娄子，甚至有点晚节不保的意思。这到底是怎么回事呢，我们下回再说。
　　还不过瘾？看看上文：
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