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》雜志發表了來自中國科學院地質與地球物理研究所李獻華團隊、胡森團隊以及楊蔚團隊關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，這一發現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。雖然這應該是一個百密一疏的細節失誤，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，顯然這個數字才是理論上月球的年齡。與其他的巖質天體差別不大，月球最初形成時也只是一個實心的球體，并且也曾有過非常活躍的地質活動，存在過廣闊的巖漿的海洋。經過了幾千萬年的冷卻，月球表面的巖漿活動逐漸穩定，表面逐漸固化，形成了現在人們觀測到的月球地殼。
在接下來數十億年的漫長時光中，月球地殼經受著太陽風、高能宇宙射線、隕石撞擊等多重洗禮，大塊巖石被破壞，形成了大量結構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十億年前月球地質活動的有力見證，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晶，即為玄武巖，其結晶溫度約為 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時間基本一致。簡單來說，當月球停止火山活動時，最后噴發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）
此次發現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對月壤進行分析：
“離子探針超高空間分辨率定年技術”、“超高空間分辨率同位素分析技術”、“納米離子探針分析技術”
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，實際上的定年技術可以統稱為“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，下面介紹 U-Pb 定年法。衰變常數，符號 λ，表示單位時間內某放射性核素的一個單核發生衰變的概率，其與該核素的半衰期存在以下關系：
由此可知，對于某一特定核素，其衰變常數為定值。如果對衰變常數不了解，可以用半衰期（放射性元素的原子核有半數發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，其衰變的最終產物分別是 207Pb 與 206Pb。
以 235U 為例，以 Nt 為現有母體量、N0 為初始母體量、t 為時間，根據公式：
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 定年法理論基礎的簡單介紹，原理并不復雜，而此次實驗儀器與分析方法的進步讓它發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，但是對與新聞報導中的標題黨現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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