解析月球的“礼物”——记中国科学院地球化学研究所副研究员李阳

吴 彪 季 蓉

李阳组织并主持第一届“地外资源开发与利用研讨会”时的留影

2020年12月17日凌晨，“嫦娥五号”返回器携带月球土壤样品，采用半弹道跳跃方式返回地球，在内蒙古自治区四子王旗预定区域安全着陆。此次“嫦娥五号”带回了1731克月球样品，这是我国迄今为止最复杂、最雄心勃勃的航天飞行，也是我国首次完成地外天体样品采集。它完成了一次特殊的使命——将月球原生态土壤带回地球。

月球上的岩浆活动何时停止？曾经的岩浆活动如何维持？月球内部是否有水？这些科学问题一直是人们热议的话题，并持续受到关注。这次被带回的原生态月壤，为解决上述问题提供了绝好的机会，让全世界的科学家欣喜不已，其中就有中国科学院地球化学研究所（以下简称“中科院地化所”）副研究员李阳的身影。透过月壤，他看到了月球研究的光明前景，也看到了月球研究能够取得新突破的希望。

被月球吸引

2007年的秋天，还是一名大四学生的李阳在学校的报刊栏看到了一则十分新奇的新闻：中国将在10月份发射“嫦娥一号”探月卫星，正式开展月球探测工程。在看到新闻的一瞬间，李阳觉得这是一件非常有趣的事情，尽管并不了解，但他却对此产生了无比浓厚的兴趣。于是李阳开始在网上搜索关于探月工程和“嫦娥一号”的相关资料，进一步了解到中科院地化所的欧阳自远院士是探月工程的首席科学家。

“在我读书的时候，许多人还在讨论如何采矿、如何炼钢铁，而那时却有一位科学家已经开始关注地球以外的事情，欧阳老师真的是非常有远见。”李阳很快做了一个对他今后人生意义重大的选择：考取中科院地化所的研究生，将来成为行星科学的研究人员。

下定决心之后，李阳鼓足勇气给欧阳自远院士写了一封邮件。“欧阳老师很快就回复了我，他说非常欢迎我来地化所，并让我联系王世杰老师。”怀抱着探索之心的李阳，以研究生考试第二名的成绩被中科院地化所录取，拉开了他研究月球的科研序幕。

最好的方式

在“嫦娥五号”带回月球土壤样品之前的岁月里，中国科学家研究月球或者其他行星的方式主要有两种：

一是研究陨石样品。既然去不了月球，那就研究天上掉下来的东西。以欧阳自远院士为代表的行星科学家选择的第一个研究对象就是陨石，这些从天上掉下来的陨石是构成太阳系固态行星、月球和小行星的初始物质，也是研究月球科学与行星科学的基础。

二是进行模拟实验研究。随着科学研究技术条件的改善，中国科学家有了能够模拟月球或者其他行星环境的设备。“比如说搭建离子注入机可以去模拟太阳风的辐射，脉冲激光器、轻气炮和高速粉尘撞击模拟微陨石轰击过程，高低温变化的实验舱可以去模拟热疲劳的过程。”李阳介绍说，尽管陨石样品研究和模拟实验研究是行星科学研究非常重要的研究方法，但都存在很大的局限，这两种研究方法对行星科学来说都不是最好的研究方法。“最好的方式是我们能够自主研发探测器和载荷到月球表面开展探索活动，拿到第一手的原始数据和采回来的样品。”

2020年，李阳成为中国科学院战略性先导科技专项培育项目子课题“月壤演化动力学过程实验模拟”的负责人，他与合作伙伴一起通过多种技术手段，从微观角度探索月壤形成的演化过程。对李阳来说，他在子课题背后的最终研究目标，是为月球形成和时空演化建立完整的科学模型，给未来的月球探测提供重要的依据。随着“嫦娥五号”顺利返回地球，李阳说的“最好的方式”已经成为现实。

目前，已公开申请和发放了4个批次的“嫦娥五号”月球样品，涉及的研究内容非常广泛。李阳参与组织了多次中科院地化所申请“嫦娥五号”月球样品的活动，“第一轮申请我们得到1个样品，第二轮申请我们得到了10个样品，第三轮我们得到了4个样品，第四轮申请我们得到3个样品。我们目前做了一些科学研究工作，发现比之前通过陨石或者模拟实验研究的效率高太多了”。

我国“嫦娥五号”探测器采集到位于风暴洋北（43.06°N、51.92°W）的月球样品并返回地球。同位素年代学的分析结果已证明了“嫦娥五号”样品具有当前已知最年轻的玄武岩年龄（大约20亿年），且结合前期研究结果可知，“嫦娥五号”采样区表面月壤的形成年龄和空间暴露历史小于阿波罗月壤的平均值。因此，“嫦娥五号”样品可能保留了月壤形成与演化初期阶段单质金属铁形成机制的相关信息。

李阳和研究团队在以上思路的指引下，结合前期陨石学研究成果，开展了“嫦娥五号”铲取月壤粉末样品中单质金属铁的多种成因机制研究。实验结果表明，“嫦娥五号”月壤样品中铁橄榄石颗粒的边缘普遍具有含气孔纳米金属铁、无定形富硅组分及富镁层共存的特征，热力学计算与电子损失能量谱（EELS）分析显示纳米金属铁内部的纳米级囊泡或由氧气（O2）和氧化硅（SiO）气体形成。此外，铁橄榄石颗粒表面的微陨石坑中也存在大量原位微陨石冲击形成的单质金属铁，并通过EELS检测发现伴生的三价铁离子。“这些研究证实了月壤中单质金属铁存在新的成因机制，为‘嫦娥五号’着陆区月壤形成与演化过程研究提供了参考依据，并为后续月球、小行星等返回样品分析提出了新思路，对于阐释太阳系无大气行星体表面性质具有重要意义。”李阳说。

相关研究成果以《嫦娥5号月壤中铁橄榄石分解产生的纳米相铁颗粒：对撞击过程中热效应的影响》和《嫦娥5号月壤中歧化反应成因单质金属铁的发现》为题，分别发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）和《自然·天文》（Nature Astronomy）上。“从我自身体会来说，‘嫦娥五号’月壤样品给中国乃至世界月球科学研究提供了绝佳的机会。”李阳说道。

传道授业解惑

1978年，时任美国国家安全顾问布热津斯基访华带来了一件非同寻常的礼物——1克“阿波罗”登月航天员采回的月球岩石与土壤样品。这件样品一半留给北京天文馆，向公众科普月球知识；另一半，则被欧阳自远院士带回贵州开展研究。

欧阳自远院士组织全国各地相关研究领域的科学家聚集在一起，对“阿波罗”月壤样品进行分析，最终写出来14篇论文，甚至确认了它是来自美国航天员登月时采集的70017-291号样品。“中国是有能力搞月球探测的！”1993年起，欧阳自远院士团队开始了长达10年的中国月球探测科学论证。

14年后，2007年“嫦娥一号”卫星发射升空。如今15年过去了，月球探测的接力棒交到了新一代年轻科学家的手中。放眼未来，到2031年之前，中国的科学家将依靠自己的卫星带回的月球样品、小行星样品和火星样品，继续推动中国行星科学向世界一流迈进。

前人栽树，后人乘凉。老一辈科学家从无到有、从有到优、从优到精，花费了几代人的努力，才有了今天“嫦娥五号”的完美返回。作为科技工作者，能够亲身参与月球样品的研究工作，对李阳来说，是荣誉也是责任。在科研之外，如何为中国行星科学及深空探测工程的长远发展培养后备人才，李阳有着自己独特的思考。“像我们平时课题组开组会，除了讨论具体的实验数据或者是实验进展的问题，还要讨论科学研究的理想和信念。因为理想信念才是一个人做事情源源不断动力的来源。”

同时，李阳非常看重学生在创新方面打破常规的能力。在他看来，科学研究跟着他人做是没有太大意义的，只有敢打破常规，敢为人先，才能有新收获。李阳擅长的微区电子学分析，在技术方法、形成机制研究方面积累了多项创新成果。“我们没有选择跟着任何人做，是我们自己先做起来的。现在国际同行对我们的工作非常认可，我相信再过一段时间，可能也会有国际同行跟着我们的方向开展研究工作。”

如今，美国、英国、印度、以色列等国家都在准备着各自的月球探测计划。李阳认为在如此激烈的国际竞争中，为中国的探月工程继续贡献力量，是每一位科技工作者义不容辞的责任和义务，他将一往无前，持续在月球研究领域深耕。“我期待在不远的将来做出更多更好的成果。”李阳充满自信地说道。