4000米高山上的这个观测站 希望为宇宙线起源之谜“一锤定音”
LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置，部分阵列近1年观测已经接连取得突破性进展，未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一世纪之谜，并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。
浩瀚宇宙，渺渺星空，在空荡荡的星际空间，有许多肉眼不可见的微观高能粒子在以接近光速飞行。平均而言，这些粒子可以在银河系内飞行百万年，其中有极少部分粒子与地球不期而遇，成为地球上神秘的“天外来客”。
1911年，奥地利物理学家赫斯乘坐气球，飞行到5千米的高空，首次发现这位来自宇宙的“客人”，这位“客人”被命名为“宇宙线”，赫斯也因宇宙线的发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。这一发现开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。
近日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站拉索（LHAASO）正式通过性能工艺验收，这标志着拉索已经建成，并正式进入科学运行阶段。建在4000米高海拔山端的拉索，以探索高能宇宙线起源以及相关的高能天体演化和暗物质研究为核心科学目标，正式开始科学运行后每天可以积累1.7亿个超高能宇宙线事例和20多亿个甚高能宇宙线事例。
什么是宇宙线？
赫斯是通过宇宙线在空气中产生的电离效应来证明其存在的，随后产生的首个问题就是宇宙线是什么粒子，这个问题困扰了人类很长时间。
刚开始，大多数人误认为它是来自宇宙的一种远高于X射线的高频电磁辐射，“宇宙线（即宇宙射线）”这个名字就是美国实验物理学家密立根在1925年首次提出，虽然这是当时对宇宙线的一种错误认识，但是这个名字一直沿用至今。
1932年，美国物理学家康普顿组织了大量人力对地球上不同地理纬度的宇宙线强度进行了测量，发现了地球磁场对宇宙线强度的调制效应，判定原初的宇宙线是带电粒子，而不是光子。
如今，人类可以利用先进的粒子鉴别技术，搭载高空气球、卫星或空间站到大气层顶部直接测定宇宙线的种类，知道了宇宙线主要是由带正电的原子核组成，其中含量最高的是质子（即氢原子核），还有元素周期表中的多种原子核，还包含少量光子、电子、中微子以及反粒子等。
在人造粒子加速器诞生之前的时代，宇宙线是唯一的高能粒子源，是人类研究高能微观粒子与物质相互作用规律的唯一工具。20世纪60年代，人造加速器的发展和粒子对撞机的出现，让宇宙线在粒子物理中的作用被取代，宇宙线的研究也逐渐转向粒子天体物理方面。
宇宙线源自何方？
迄今为止，人们观测到的宇宙线粒子的最高能量已达到1020电子伏特（eV），是人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机所能加速粒子能量的1000万倍。这么高能量的宇宙线起源于什么天体？它们是如何被加速到极端高的能量的？这些问题长期推动着人类去探索宇宙和大自然的奥秘，其中最基本最核心的问题是起源问题，被称为“世纪之谜”。
宇宙线为带电粒子，在传播过程中会被宇宙空间中的磁场影响后偏转运动方向进而失去源头位置信息，所以通过宇宙线粒子探测并不能找到宇宙线的起源天体。宇宙线的能谱从1011eV到1020eV大体呈现为幂律形式，表现为非热加速起源特性。中间有两个明显特征：在1015eV附近能谱变软，呈现出“膝”形结构；在1018eV附近能谱变硬，呈现出了“踝”形结构，这些结构蕴含关于宇宙线起源的重要信息。根据银河系内天体的尺度和磁场强度对宇宙线加速上限的估计，一般认为，“膝”区能量及以下的宇宙线起源于银河系内的天体源，而“踝”区能量以上的宇宙线起源于银河系外。
宇宙线的测量特征说明其起源于非热辐射过程，而且能量非常高。人类根据对太阳的认识，认为普通的恒星不可能把粒子加速到如此高的能量。因此，宇宙线的发源地必然进行着极端剧烈的变化或者具备极端的物理条件。根据伽马射线天文观测结果，目前的候选天体主要有超新星及其遗迹星云、脉冲星及其风云、年轻大质量星团、双星系统、伽马射线暴、活动星系核等，这些候选源的共同特征是存在强激波。
如何探寻宇宙线？
高能伽马天文、高能中微子天文、极高能宇宙线天文是寻找宇宙线起源的三大重要支柱。高能中微子和极高能宇宙线天体源的探测可以为宇宙线起源探索提供“一锤定音”的证据。
此外，伽马射线是示踪其父辈带电粒子加速的重要探针，这些伽马射线天体源为宇宙线起源天体的寻找提供了重要的候选天体。伽马辐射存在两种可能的起源：一是高能电子与低能光子逆康普顿散射过程产生，即轻子起源；二是高能强子宇宙线与周围物质通过强子—强子相互作用的次级中性π介子衰变产生，即强子起源。
强子宇宙线在宇宙线占据绝对主导份额，宇宙线起源问题的研究就是寻找强子宇宙线的起源天体。所以通过伽马射线观测寻找宇宙线起源的重点就是确定伽马射线的辐射机制，排除轻子起源和寻找强子起源证据，但是这同时也是难点所在，因为大部分源在GeV-TeV（1G=109，1T=1012）能区，很难区分这两种辐射机制，目前大部分伽马射线源倾向于轻子源。
轻子辐射和强子辐射的一个区分点是在超高能区。高能电子在星际磁场与辐射场中的冷却时标随能量升高而变短，100TeV以上存在Klein-Nishina高能压低效应，而强子源辐射的100TeV以上伽马射线不存在这些问题，因此超高能伽马射线是目前通过伽马射线确认宇宙线起源的希望，而且可以直接解决能量达PeV（1P＝1015）量级的银河宇宙线起源问题，LHAASO就是为此目标而设计的。
拉索能做什么？
LHAASO作为近年来以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，探测面积达到1.36平方千米，是国际同类装置西藏羊八井ASγ实验的20倍和美国HAWC实验的60倍。LHAASO在超高能区的灵敏度是国际同类装置10倍以上，同时也远高于下一代大型切伦科夫望远镜阵列，预计未来相当长时间内在超高能区保持国际领先。此外，LHAASO还是全球最灵敏的大视场甚高能伽马射线探测装置。
基于1/2阵列11个月数据，LHAASO取得了第一个突破性进展，并于2021年5月17日发布在《自然》上，即发现了12个高显著的稳定超高能伽马射线源，其光子能谱一直延伸到1PeV附近未见明显截断，从而确认了银河系内首批PeV粒子宇宙加速器，并揭示PeV加速器在银河系内可能普遍存在。这些发现开启了超高能伽马天文观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体，为破解宇宙线起源这个世纪之谜指明了方向。
这次成果还包括记录到迄今人类观测到的最高能量光子，能量达1.42±0.13PeV，该区内部大量存在恒星生生死死的剧烈活动，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所。如果LHAASO未来进行深入观测，则有可能为强子辐射起源提供强有力证据，将成为解开“世纪之谜”的突破口。
2021年7月9日，《科学》发布了LHAASO的第二个重要科学成果，测量了高能天文学标准烛光蟹状星云的最高能量端能谱，此次研究不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果，还将标准烛光的测量范围由0.3PeV拓展至1.1PeV。
LHAASO预期每年可以记录到1—2个来自蟹状星云的PeV光子，未来几年内将可以探索更多关于PeV粒子加速的奥秘。
LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置，部分阵列近1年观测已经接连取得突破性进展，其全阵列已于2021年7月正式开始运行，未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一“世纪之谜”，并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。
（作者系中国科学院高能物理研究所研究员，原载于《前沿科学》2021年第3期，有删节）
LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置，部分阵列近1年观测已经接连取得突破性进展，未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一世纪之谜，并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。
浩瀚宇宙，渺渺星空，在空荡荡的星际空间，有许多肉眼不可见的微观高能粒子在以接近光速飞行。平均而言，这些粒子可以在银河系内飞行百万年，其中有极少部分粒子与地球不期而遇，成为地球上神秘的“天外来客”。
1911年，奥地利物理学家赫斯乘坐气球，飞行到5千米的高空，首次发现这位来自宇宙的“客人”，这位“客人”被命名为“宇宙线”，赫斯也因宇宙线的发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。这一发现开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。
近日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站拉索（LHAASO）正式通过性能工艺验收，这标志着拉索已经建成，并正式进入科学运行阶段。建在4000米高海拔山端的拉索，以探索高能宇宙线起源以及相关的高能天体演化和暗物质研究为核心科学目标，正式开始科学运行后每天可以积累1.7亿个超高能宇宙线事例和20多亿个甚高能宇宙线事例。
什么是宇宙线？
赫斯是通过宇宙线在空气中产生的电离效应来证明其存在的，随后产生的首个问题就是宇宙线是什么粒子，这个问题困扰了人类很长时间。
刚开始，大多数人误认为它是来自宇宙的一种远高于X射线的高频电磁辐射，“宇宙线（即宇宙射线）”这个名字就是美国实验物理学家密立根在1925年首次提出，虽然这是当时对宇宙线的一种错误认识，但是这个名字一直沿用至今。
1932年，美国物理学家康普顿组织了大量人力对地球上不同地理纬度的宇宙线强度进行了测量，发现了地球磁场对宇宙线强度的调制效应，判定原初的宇宙线是带电粒子，而不是光子。
如今，人类可以利用先进的粒子鉴别技术，搭载高空气球、卫星或空间站到大气层顶部直接测定宇宙线的种类，知道了宇宙线主要是由带正电的原子核组成，其中含量最高的是质子（即氢原子核），还有元素周期表中的多种原子核，还包含少量光子、电子、中微子以及反粒子等。
在人造粒子加速器诞生之前的时代，宇宙线是唯一的高能粒子源，是人类研究高能微观粒子与物质相互作用规律的唯一工具。20世纪60年代，人造加速器的发展和粒子对撞机的出现，让宇宙线在粒子物理中的作用被取代，宇宙线的研究也逐渐转向粒子天体物理方面。
宇宙线源自何方？
迄今为止，人们观测到的宇宙线粒子的最高能量已达到1020电子伏特（eV），是人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机所能加速粒子能量的1000万倍。这么高能量的宇宙线起源于什么天体？它们是如何被加速到极端高的能量的？这些问题长期推动着人类去探索宇宙和大自然的奥秘，其中最基本最核心的问题是起源问题，被称为“世纪之谜”。
宇宙线为带电粒子，在传播过程中会被宇宙空间中的磁场影响后偏转运动方向进而失去源头位置信息，所以通过宇宙线粒子探测并不能找到宇宙线的起源天体。宇宙线的能谱从1011eV到1020eV大体呈现为幂律形式，表现为非热加速起源特性。中间有两个明显特征：在1015eV附近能谱变软，呈现出“膝”形结构；在1018eV附近能谱变硬，呈现出了“踝”形结构，这些结构蕴含关于宇宙线起源的重要信息。根据银河系内天体的尺度和磁场强度对宇宙线加速上限的估计，一般认为，“膝”区能量及以下的宇宙线起源于银河系内的天体源，而“踝”区能量以上的宇宙线起源于银河系外。
宇宙线的测量特征说明其起源于非热辐射过程，而且能量非常高。人类根据对太阳的认识，认为普通的恒星不可能把粒子加速到如此高的能量。因此，宇宙线的发源地必然进行着极端剧烈的变化或者具备极端的物理条件。根据伽马射线天文观测结果，目前的候选天体主要有超新星及其遗迹星云、脉冲星及其风云、年轻大质量星团、双星系统、伽马射线暴、活动星系核等，这些候选源的共同特征是存在强激波。
如何探寻宇宙线？
高能伽马天文、高能中微子天文、极高能宇宙线天文是寻找宇宙线起源的三大重要支柱。高能中微子和极高能宇宙线天体源的探测可以为宇宙线起源探索提供“一锤定音”的证据。
此外，伽马射线是示踪其父辈带电粒子加速的重要探针，这些伽马射线天体源为宇宙线起源天体的寻找提供了重要的候选天体。伽马辐射存在两种可能的起源：一是高能电子与低能光子逆康普顿散射过程产生，即轻子起源；二是高能强子宇宙线与周围物质通过强子—强子相互作用的次级中性π介子衰变产生，即强子起源。
强子宇宙线在宇宙线占据绝对主导份额，宇宙线起源问题的研究就是寻找强子宇宙线的起源天体。所以通过伽马射线观测寻找宇宙线起源的重点就是确定伽马射线的辐射机制，排除轻子起源和寻找强子起源证据，但是这同时也是难点所在，因为大部分源在GeV-TeV（1G=109，1T=1012）能区，很难区分这两种辐射机制，目前大部分伽马射线源倾向于轻子源。
轻子辐射和强子辐射的一个区分点是在超高能区。高能电子在星际磁场与辐射场中的冷却时标随能量升高而变短，100TeV以上存在Klein-Nishina高能压低效应，而强子源辐射的100TeV以上伽马射线不存在这些问题，因此超高能伽马射线是目前通过伽马射线确认宇宙线起源的希望，而且可以直接解决能量达PeV（1P＝1015）量级的银河宇宙线起源问题，LHAASO就是为此目标而设计的。
拉索能做什么？
LHAASO作为近年来以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，探测面积达到1.36平方千米，是国际同类装置西藏羊八井ASγ实验的20倍和美国HAWC实验的60倍。LHAASO在超高能区的灵敏度是国际同类装置10倍以上，同时也远高于下一代大型切伦科夫望远镜阵列，预计未来相当长时间内在超高能区保持国际领先。此外，LHAASO还是全球最灵敏的大视场甚高能伽马射线探测装置。
基于1/2阵列11个月数据，LHAASO取得了第一个突破性进展，并于2021年5月17日发布在《自然》上，即发现了12个高显著的稳定超高能伽马射线源，其光子能谱一直延伸到1PeV附近未见明显截断，从而确认了银河系内首批PeV粒子宇宙加速器，并揭示PeV加速器在银河系内可能普遍存在。这些发现开启了超高能伽马天文观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体，为破解宇宙线起源这个世纪之谜指明了方向。
这次成果还包括记录到迄今人类观测到的最高能量光子，能量达1.42±0.13PeV，该区内部大量存在恒星生生死死的剧烈活动，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所。如果LHAASO未来进行深入观测，则有可能为强子辐射起源提供强有力证据，将成为解开“世纪之谜”的突破口。
2021年7月9日，《科学》发布了LHAASO的第二个重要科学成果，测量了高能天文学标准烛光蟹状星云的最高能量端能谱，此次研究不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果，还将标准烛光的测量范围由0.3PeV拓展至1.1PeV。
LHAASO预期每年可以记录到1—2个来自蟹状星云的PeV光子，未来几年内将可以探索更多关于PeV粒子加速的奥秘。
LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置，部分阵列近1年观测已经接连取得突破性进展，其全阵列已于2021年7月正式开始运行，未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一“世纪之谜”，并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。
（作者系中国科学院高能物理研究所研究员，原载于《前沿科学》2021年第3期，有删节）
【嫦娥五号月球样品研究结果的论文在《自然》三连发】
北京时间10月19日，国际顶尖学术期刊《自然》发表了三篇中国嫦娥五号月球样品研究结果的论文，为月球热演化和化学演化提供了新知：月球内部在约20亿年前仍在演化，但与此前猜测不同，月幔中既没有放射性生热元素，亦没有大量水的存在。
羊城晚报全媒体记者检索发现，三篇论文标题分别为《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》、《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》以及《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》，通讯作者分别为中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华、研究员杨蔚以及副研究员胡森。
这三篇论文的样品，均来自于名为“风暴洋”的月球北部月海中吕姆克山北部，由中国嫦娥五号月球探测器在2020年12月17日带回地球。这是中国国家航天局探月与航天工程中心自2021年7月12日发放第一批月球样品后，发表的研究成果。
月球岩浆20亿年前仍在活动
月球火山活动是分析月球演化进程的重要依据，火山活动停止表明月球失去了内动力，也即地质意义上的“死亡”。以往对美国、苏联的月球样本进行的放射性同位素测年显示，大部分月球火山活动在约28亿至29亿年前停止，古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了“月海”。
这一次，中国科学家们的研究成果对旧有认识提出了挑战。
在第一篇论文《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》中，李秋立等研究人员对嫦娥五号月球样品中47块不同结构的玄武岩碎屑进行了分析统计，重点分析了玄武岩最具代表性的定年对象——含锆矿物，包括斜锆石、钙钛锆石、静海石。利用自主研发的超高空间分辨率铀-铅（U-Pb）定年技术，对3微米以上的50多颗含锆矿物进行了精确测试。
最终，科学家们得到了误差范围内相同的结果，即20.30±0.04亿年。
这一发现更新了月球最“年轻”的玄武岩样品年龄为20亿年，将以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了8亿-9亿年。该论文认为，这项研究首次提供了月球岩浆活动至少持续到20亿年前的确凿证据。
月球最晚期的岩浆活动为何比此前推测的时间晚呢？李献华说，月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜，目前科学界认为存在两种可能的解释：岩浆源区中富含放射性元素以提供热源，或富含水以降低月幔熔点。
沿着这两种研究思路，研究人员们对嫦娥五号月球样品进行了进一步探究，取得了两项意料之外的结果。
月球变冷速度比想象中慢
放射性元素提供热源是目前学术界的主流假说。但第二篇论文《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》中，杨蔚和同事的研究表明，月球年轻玄武岩来源的产热元素含量似乎比预期的要低，这一结果也意味着，月球内部有着比预想中更为持久的冷却历史。
按照之前的设想，嫦娥五号着陆区为克里普地体，可能溶出这些岩石的源区也富集不相容元素。简单地说，克里普物质是指富集钾、稀土、磷等元素的物质，这些元素不容易进入到固体中，在地球化学上被称为“不相容元素”。月球岩石中的克里普物质，从某种程度上可以反映火山活动的热源从何而来。
最新研究发现，嫦娥五号玄武岩样品具有富集克里普物质的特征，但“这是由于岩浆经过大量矿物结晶分异后，残余部分富集而来”。
研究人员采用世界最高空间分辨的激光原位分析方法，分别在80微米和20微米尺度获得长石的锶（Sr）和白磷钙矿的钕（Nd）同位素，这也是迄今为止微区Sr-Nd同位素分析方法首次应用于月球样品研究。研究结果表明，嫦娥五号月球样品上锶和钕同位素与克里普具有显著的差异，其在形成过程中，克里普组分的贡献不足0.5%。
而这一发现也意味着，维持月球长期火山活动的，并非月幔中富含克里普。
该论文指出，嫦娥五号所采集、形成于20亿年前的玄武岩的起源表明，当时月球内部比阿波罗采样的约在35亿年前形成的更原始玄武岩形成时要冷得多，“尽管经历了相当大的长期冷却，但一定有某种机制使月球地幔中的熔融区直到20亿年前才凝固。一种可能的机制是，月球上厚厚的绝缘外层充当了热盖，导致冷却速度足够慢”。
对此，李献华解释称，这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的假说。
月幔源区几乎没有水的存在
在第三篇论文《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》中，胡森和同事测定了嫦娥五号玄武岩样品中岩浆包裹体和磷灰石的水含量，得出月幔含水量较少的结论。
此前，根据阿波罗任务以来的分析，一直认为月球是无水的。过去十年原位分析技术的进步，使研究者能对月球样品进行微观尺度的水丰度分析，对其月幔水丰度的估计范围差异达两个数量级，这表明月球内部并不像曾经认为的那样“干”。
该论文指出，关于月球内部水的来源和分布仍存在许多问题，因此，研究来自新地区的年轻玄武岩样本可为月球中水的时空演化提供重要线索。
在得到嫦娥五号月球样品后，研究人员利用高空间分辨的纳米离子探针对样品的水含量和氢同位素组成进行了测定。研究人员估算出，嫦娥五号月球样品月幔源区每克岩石的水含量仅为1-5微克，表明嫦娥五号玄武岩的源区非常“干”。与阿波罗样品反推的月幔相比，这是水含量最低的月幔。
研究人员指出，这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点，导致该区域长时间岩浆活动的猜想。
月球的探测和研究有新方向
此次发表在《自然》杂志的三篇论文，及更早前发表在《国家科学评论》上的一篇论文，作为由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球科研样品研究的首批成果，得到国际专家的高度评价。
“迄今为止，月球历史上在30亿年前到10亿年前之间到底有没有岩浆活动、火山喷发的数据记录是一片空白，中国科学家发表的嫦娥五号月球样品研究成果填补了这项空白。”国际知名同位素地球化学和宇宙化学家、美国加州大学戴维斯分校教授尹庆柱认为，阿波罗样品已经研究了半个世纪，科学界仍然有新的发现被发表，人类对于月球的认知也在不断被刷新，“嫦娥五号月球样品的分析研究才刚刚开始，展望未来，当它被详细研究50年之后，人类对于月球和太阳系的认知将会带来多大的提升！”
国际知名行星科学家、德国拜罗伊特大学教授奥德蕾·布维尔认为，精确的年代学研究结果表明，嫦娥五号月球样品玄武岩形成于20亿年前，比以往认为月球岩浆活动停止时间晚了近10亿年，“这些研究结果也为月球年轻岩浆活动的成因提出了新的问题和研究方向”。
事实上，在嫦娥五号带回月壤之前，中国科学家关于月壤的研究实践，来自于1978年美国捐赠的1克月壤。彼时，面对仅有的1克样品，中国科学家们最多只能用0.5克。在这样的前提下，全国相关科研力量集结起来进行细致入微的科学研究，先后耗时4个月，发表14篇科研论文，回答了月壤取自何处、成分结构如何等问题。
如今，通过对嫦娥五号月球样品的研究，人类终于对月球的历史有了更进一步的认识，也提出了新的科学问题：究竟是什么使月球“活”到了至少20亿年前？
“月球冷却如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理论框架和演化模型。”李献华表示，这对未来的月球探测和研究提出了新的方向。
据悉，中国科学院正在积极推动月球样本研究的国际合作，目前中科院与法国科研中心，在月球样本合作研究方面已达成初步共识。
北京时间10月19日，国际顶尖学术期刊《自然》发表了三篇中国嫦娥五号月球样品研究结果的论文，为月球热演化和化学演化提供了新知：月球内部在约20亿年前仍在演化，但与此前猜测不同，月幔中既没有放射性生热元素，亦没有大量水的存在。
羊城晚报全媒体记者检索发现，三篇论文标题分别为《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》、《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》以及《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》，通讯作者分别为中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华、研究员杨蔚以及副研究员胡森。
这三篇论文的样品，均来自于名为“风暴洋”的月球北部月海中吕姆克山北部，由中国嫦娥五号月球探测器在2020年12月17日带回地球。这是中国国家航天局探月与航天工程中心自2021年7月12日发放第一批月球样品后，发表的研究成果。
月球岩浆20亿年前仍在活动
月球火山活动是分析月球演化进程的重要依据，火山活动停止表明月球失去了内动力，也即地质意义上的“死亡”。以往对美国、苏联的月球样本进行的放射性同位素测年显示，大部分月球火山活动在约28亿至29亿年前停止，古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了“月海”。
这一次，中国科学家们的研究成果对旧有认识提出了挑战。
在第一篇论文《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》中，李秋立等研究人员对嫦娥五号月球样品中47块不同结构的玄武岩碎屑进行了分析统计，重点分析了玄武岩最具代表性的定年对象——含锆矿物，包括斜锆石、钙钛锆石、静海石。利用自主研发的超高空间分辨率铀-铅（U-Pb）定年技术，对3微米以上的50多颗含锆矿物进行了精确测试。
最终，科学家们得到了误差范围内相同的结果，即20.30±0.04亿年。
这一发现更新了月球最“年轻”的玄武岩样品年龄为20亿年，将以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了8亿-9亿年。该论文认为，这项研究首次提供了月球岩浆活动至少持续到20亿年前的确凿证据。
月球最晚期的岩浆活动为何比此前推测的时间晚呢？李献华说，月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜，目前科学界认为存在两种可能的解释：岩浆源区中富含放射性元素以提供热源，或富含水以降低月幔熔点。
沿着这两种研究思路，研究人员们对嫦娥五号月球样品进行了进一步探究，取得了两项意料之外的结果。
月球变冷速度比想象中慢
放射性元素提供热源是目前学术界的主流假说。但第二篇论文《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》中，杨蔚和同事的研究表明，月球年轻玄武岩来源的产热元素含量似乎比预期的要低，这一结果也意味着，月球内部有着比预想中更为持久的冷却历史。
按照之前的设想，嫦娥五号着陆区为克里普地体，可能溶出这些岩石的源区也富集不相容元素。简单地说，克里普物质是指富集钾、稀土、磷等元素的物质，这些元素不容易进入到固体中，在地球化学上被称为“不相容元素”。月球岩石中的克里普物质，从某种程度上可以反映火山活动的热源从何而来。
最新研究发现，嫦娥五号玄武岩样品具有富集克里普物质的特征，但“这是由于岩浆经过大量矿物结晶分异后，残余部分富集而来”。
研究人员采用世界最高空间分辨的激光原位分析方法，分别在80微米和20微米尺度获得长石的锶（Sr）和白磷钙矿的钕（Nd）同位素，这也是迄今为止微区Sr-Nd同位素分析方法首次应用于月球样品研究。研究结果表明，嫦娥五号月球样品上锶和钕同位素与克里普具有显著的差异，其在形成过程中，克里普组分的贡献不足0.5%。
而这一发现也意味着，维持月球长期火山活动的，并非月幔中富含克里普。
该论文指出，嫦娥五号所采集、形成于20亿年前的玄武岩的起源表明，当时月球内部比阿波罗采样的约在35亿年前形成的更原始玄武岩形成时要冷得多，“尽管经历了相当大的长期冷却，但一定有某种机制使月球地幔中的熔融区直到20亿年前才凝固。一种可能的机制是，月球上厚厚的绝缘外层充当了热盖，导致冷却速度足够慢”。
对此，李献华解释称，这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的假说。
月幔源区几乎没有水的存在
在第三篇论文《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》中，胡森和同事测定了嫦娥五号玄武岩样品中岩浆包裹体和磷灰石的水含量，得出月幔含水量较少的结论。
此前，根据阿波罗任务以来的分析，一直认为月球是无水的。过去十年原位分析技术的进步，使研究者能对月球样品进行微观尺度的水丰度分析，对其月幔水丰度的估计范围差异达两个数量级，这表明月球内部并不像曾经认为的那样“干”。
该论文指出，关于月球内部水的来源和分布仍存在许多问题，因此，研究来自新地区的年轻玄武岩样本可为月球中水的时空演化提供重要线索。
在得到嫦娥五号月球样品后，研究人员利用高空间分辨的纳米离子探针对样品的水含量和氢同位素组成进行了测定。研究人员估算出，嫦娥五号月球样品月幔源区每克岩石的水含量仅为1-5微克，表明嫦娥五号玄武岩的源区非常“干”。与阿波罗样品反推的月幔相比，这是水含量最低的月幔。
研究人员指出，这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点，导致该区域长时间岩浆活动的猜想。
月球的探测和研究有新方向
此次发表在《自然》杂志的三篇论文，及更早前发表在《国家科学评论》上的一篇论文，作为由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球科研样品研究的首批成果，得到国际专家的高度评价。
“迄今为止，月球历史上在30亿年前到10亿年前之间到底有没有岩浆活动、火山喷发的数据记录是一片空白，中国科学家发表的嫦娥五号月球样品研究成果填补了这项空白。”国际知名同位素地球化学和宇宙化学家、美国加州大学戴维斯分校教授尹庆柱认为，阿波罗样品已经研究了半个世纪，科学界仍然有新的发现被发表，人类对于月球的认知也在不断被刷新，“嫦娥五号月球样品的分析研究才刚刚开始，展望未来，当它被详细研究50年之后，人类对于月球和太阳系的认知将会带来多大的提升！”
国际知名行星科学家、德国拜罗伊特大学教授奥德蕾·布维尔认为，精确的年代学研究结果表明，嫦娥五号月球样品玄武岩形成于20亿年前，比以往认为月球岩浆活动停止时间晚了近10亿年，“这些研究结果也为月球年轻岩浆活动的成因提出了新的问题和研究方向”。
事实上，在嫦娥五号带回月壤之前，中国科学家关于月壤的研究实践，来自于1978年美国捐赠的1克月壤。彼时，面对仅有的1克样品，中国科学家们最多只能用0.5克。在这样的前提下，全国相关科研力量集结起来进行细致入微的科学研究，先后耗时4个月，发表14篇科研论文，回答了月壤取自何处、成分结构如何等问题。
如今，通过对嫦娥五号月球样品的研究，人类终于对月球的历史有了更进一步的认识，也提出了新的科学问题：究竟是什么使月球“活”到了至少20亿年前？
“月球冷却如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理论框架和演化模型。”李献华表示，这对未来的月球探测和研究提出了新的方向。
据悉，中国科学院正在积极推动月球样本研究的国际合作，目前中科院与法国科研中心，在月球样本合作研究方面已达成初步共识。
【#嫦娥5号月球科研样品首批研究成果出炉# 月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年】月球上火山活动何时停止？曾经的岩浆活动如何维持？月幔到底有多“干”？中国科学院地质与地球物理研究所联合多家研究机构，通过三篇《自然》论文报道了围绕这些重要科学问题取得的突破性进展。研究证明嫦娥五号月球样品为迄今最“年轻”的玄武岩，年龄为20亿年，此前美国、苏联的月球样本研究证实为28至30亿年前，也就是说，最新研究表明月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约至少8亿年。研究还发现，其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素，并且月幔源区几乎没有水。国际专家认为，该系列成果“提供了迄今为止#月球上确定的最年轻的玄武岩#的证据”、“改变了我们对月球的热历史和岩浆历史的认识”、“对我们认识月球起源和演化具有重要的意义”。（中国日报）
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