阿波羅計劃最受讚譽的是在月球上留下人類的足跡，但它們對科學的最大貢獻是宇航員帶回的岩石。稱這382公斤的石頭和風化層（覆蓋月球和其他行星體表面的厚層碎石和塵埃）為寶藏，都無法充分表達它們的價值。在地球上的實驗室中研究這些樣本，有助於建立現代行星科學領域，並使我們對所有行星體上執行的地質過程有了重要的認識。
我出生得太晚，沒能親眼目睹阿波羅11號，但作為一名行星科學家，我的生活和職業生涯直接受到了六次登月任務帶回的樣本的影響。例如，我的一些研究涉及月球表面的爆炸性火山沉積物。我使用的資料來自宇航員在阿波羅15號和17號任務期間直接從地表採集的樣本。其他資料是由科學家建造並送往月球的軌道飛行器收集的，這些飛行器是阿波羅任務所獲得的科學和技術知識的直接成果。
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NASA阿波羅樣品管理員Ryan Zeigler表示，在過去的50年中，NASA收到了來自15個以上國家/地區500多位科學家的3190份獨特的月球樣品請求。他說，幾十年來，該機構已經分發了超過50,000個獨特的月球樣品，目前有145位科學家正在天文學、生物學、化學、工程學、材料科學、醫學和地質學等不同領域研究超過8,000個樣品。最重要的是，月球岩石徹底改變了我們對三個主要主題的理解：月球表面的性質、月球的起源以及我們太陽系的演化。
古老的表面
在我們向月球發射航天器和人類之前，我們對地球的天然衛星的瞭解在很大程度上是推測性的，僅限於從地球上可以進行的觀測。
這些研究表明，月球表面非常古老，因為它佈滿了撞擊坑，這些撞擊坑肯定需要數十億年的時間才能累積。當我們最終登上月球時，我們確信了這一點。月球岩石到達地球后，地球化學家分析了其中以眾所周知的速度衰變的同位素，發現月球樣本比大多數地球岩石要古老得多——介於30億年至45億年之間。
在阿波羅15號、16號和17號任務期間採集的五個樣本。圖片來源：克里斯·岡恩
然後，行星科學家建立了一個聯絡，這將影響幾乎所有後續對月球和其他行星體的研究：他們將阿波羅11號著陸點月球樣本的首次測量年齡與每個樣本採集區域的撞擊坑數量進行了比較。然後，他們利用這些資訊開發了一個模型，用於模擬撞擊坑在月球表面形成的速度。透過這個模型，阿波羅樣本點就像一塊羅塞塔石碑，使科學家能夠估算月球上（甚至其他行星體上）任何位置的年齡，而無需親自前往。
最古老的樣本大約有45億年的歷史，與月球本身的年齡基本相同。地球上的大多數岩石都比40億年要年輕得多，這是因為板塊構造不斷迴圈地殼——月球上沒有發生這種過程。因此，月球樣本為了解太陽系早期古老岩石提供了重要的視窗。它們甚至可以告訴我們關於年輕地球的資訊。今年三月，研究人員分析了一塊阿波羅14號角礫岩（一種由其他焊接在一起的岩石碎片組成的岩石型別），確定其中一塊碎片可能根本不是月球岩石。相反，它可能代表第一塊地球隕石——一塊在40億年前從地球噴射出來，然後落在月球上的岩石。經過數十億年，宇航員艾倫·謝潑德撿起了它並帶回了家。
在休斯頓NASA約翰遜航天中心的阿波羅樣品庫，技術員查里斯·霍爾·克里舍爾正在處理“創世紀巖”（樣品編號15415），這是阿波羅15號宇航員在月球表面採集的一塊40億年前的古老樣本。這塊岩石對於幫助科學家確定月球的起源和年齡至關重要。圖片來源：克里斯·岡恩
月球的起源
在阿波羅計劃之前，科學家們對月球和其他行星衛星是如何形成的提出了幾種相互競爭的觀點。也許地球捕獲了另一個過於靠近的天體。也許在早期，我們的星球旋轉得太快，以至於一個球狀物從主體上分離出來。或者，地球和月球可能是在同一時間從最初的“原行星盤”中形成的，這個原行星盤孕育了我們太陽系中的所有行星。然而，在阿波羅任務之後，我們獲得了完全不同的景象。
如今，關於月球起源的流行理論被稱為大碰撞假說。這個觀點基於阿波羅計劃期間收集的證據，認為大約在45億年前，一個大小與火星相當的天體（稱為忒伊亞）撞擊了地球，將自身撞碎，並將地球地殼和地幔的一部分噴射到太空。最終，噴射出的地球物質與忒伊亞的殘餘物混合在一起，積聚成一顆衛星，冷卻後變成了月球。
阿波羅15號樣品15415，被稱為創世紀巖，它幫助科學家們發展出關於月球如何形成的主流理論。圖片來源：克里斯·岡恩
該模型受到了阿波羅樣本和表面實驗的許多觀測結果的影響，其中包括
鐵：月球的鐵含量出奇地少。阿波羅任務部署的表面地球物理實驗表明，與類地行星相比，月球的核心在其體積中所佔的比例非常小，僅佔其總半徑的25%。月球小核心表明相對缺乏鐵，這證明了地球在發生大碰撞時已經形成了一個富含鐵的中心，幾乎沒有留下鐵來形成月球。
乾燥度：月球樣本被證明非常乾燥，幾乎完全耗盡了揮發物——沸點低、容易蒸發的元素或分子，例如水、二氧化碳、氮氣和氫氣。為了解釋這種耗盡，科學家們認為，大碰撞產生的大量能量和熱量可能驅散了原月球碎片中的揮發物。
岩漿海洋：月球樣本中最有影響力的假說之一是早期月球上存在岩漿海洋的觀點。阿波羅11號樣本表明，月球高地（明亮、高聳的區域，與低窪區域的黑暗月海相對）含有高濃度的斜長石礦物。含有這種礦物的岩石的紋理表明，它是由一大塊冷卻的熔岩形成的，而輕質的斜長石晶體漂浮到頂部。由於之前的機器人任務在其他地點也發現了類似的岩石，並且月球高地分佈廣泛，因此岩漿層一定覆蓋了月球表面的大部分或全部。在第一批阿波羅樣本返回後的僅僅六個月，兩個獨立的團隊就提出了早期岩漿海洋的觀點。來自地球化學和地球物理學的幾條其他證據支援岩漿海洋模型，該模型至今仍在發展中。
使大碰撞模型複雜化的一條證據是阿波羅樣本中各種同位素（一種元素的原子，其質量與“常規”原子不同）的濃度。研究人員在2001年和2012年使用一種稱為雷射氟化的方法發現，月球和地球之間的氧同位素和鈦同位素的組成幾乎相同。如果月球是由忒伊亞和地球物質的混合物形成的，為什麼它會具有類似地球的同位素組成？這一證據激發了新的想法，例如行星科學家西蒙·J·洛克和莎拉·T·斯圖爾特在《起源故事》中描述的“合胞體”模型。
管理處理器將阿波羅15號樣品從其不鏽鋼儲存櫃的氣閘中取出。圖片來源：克里斯·岡恩
太陽系的故事
對月球樣本的研究也使我們瞭解了其他行星體。也許最重要的結果是太陽系演化的尼斯模型（之所以如此命名，是因為它是在法國尼斯建立的）。根據該模型，外太陽系的巨行星最初形成時彼此靠近。經過數億年後，它們的軌道變得不穩定，導致土星、天王星和海王星迅速遷移到它們目前的軌道，這些軌道離太陽遠得多。巨行星的運動將來自外太陽系（柯伊伯帶）的物質向內拉，在那裡它與行星和衛星碰撞，並在整個太陽系中造成普遍混亂。
這個模型聽起來可能有些牽強，但它優雅地解釋了許多看似不相關的關於我們宇宙鄰居的觀測結果。例如，透過對阿波羅樣本進行年代測定並分析撞擊坑，科學家們得出結論，在行星形成後約7億年，月球上發生了災難性的撞擊峰值，被稱為“後期重轟炸期”。最初，對於為什麼撞擊次數會在此時突然躍升，沒有簡單的解釋。然而，尼斯模型中預測的混亂撞擊時期為該確切時代的撞擊體提供了來源。
除了告訴我們太陽系的演化之外，月球樣本還使科學家能夠研究行星表面的化學演化。“太空風化”是描述沒有大氣層的天體上發生的物理和化學侵蝕過程。對從地表採集的阿波羅土壤的研究表明，它們含有膠結物、焊接玻璃和礦物碎片，這些碎片是由微小塵埃顆粒的撞擊產生的。這些膠結物隨著時間的推移而積累，可以佔成熟風化層樣本的60%到70%。太空風化還產生了稱為奈米相鐵的微小元素鐵球，並在某些土壤顆粒的外緣堆積，導致表面隨著時間的推移而變暗。我們現在知道，太陽輻射、大的溫度波動和微隕石的持續轟擊是太空風化的一些來源。
未來的樣本
對於月球科學來說，這是一個激動人心的時刻：今年，一批自近50年前在月球上採集以來一直未開封的樣本將被髮布。在採集岩石時，NASA有意留下了一部分密封，以等待技術進步超越阿波羅時代的水平。今年三月，阿波羅下一代樣品分析（ANGSA）計劃選擇了九個研究團隊，以接收來自阿波羅15號、16號和17號的未開封真空密封樣品。研究“新的”月球樣品的機會可能會帶來更多關於我們天然衛星形成和演化的基本發現。
儘管我們從阿波羅樣本和表面實驗中學到了很多，並且無疑將從新的樣本中學習到更多，但我們迫切需要更多樣本。例如，我們沒有來自月球背面、極地地區或深層內部的公認樣本。我特別想擁有的兩個樣本是來自月球背面南極-艾特肯盆地的物質和來自極地隕石坑的冰。南極-艾特肯盆地是月球上已知最大的撞擊盆地——也是太陽系中最大的撞擊盆地之一——其內部可能包含來自月球下地殼甚至地幔的物質。研究南極-艾特肯盆地還將幫助我們瞭解極大的盆地如何塑造行星體的表面和內部。返回月球極地冰樣本將告訴我們月球水的年齡和起源——反過來，這可以闡明地球的水起源於何處。
這些願望清單上的樣本可能來自人類探測或機器人任務：行星科學家之間對於哪種方法最好沒有共識。許多專家正確地認為，機器人任務更便宜、更安全，並且可以比人類任務持續更長時間。另一方面，人類比機器人更有可能挑選出更多種類的異常標本，阿波羅樣本套件的多樣性（岩石、鏟取和篩分的土壤、巨石碎片、鑽孔岩心）、樣本體積和樣本地質（成分、岩石型別、年齡）證明了這一點。
阿波羅計劃代表著一項獨特的成就，從根本上改變了我們對太陽系的看法。當我們慶祝人類首次邁出巨大一步50週年之際，自哈里森·“傑克”·施密特和已故的尤金·塞爾南於1972年12月14日在阿波羅17號任務期間離開月球表面以來，再也沒有人類踏上過另一個行星體。作為一名深受這些任務鼓舞的科學家，我正在積極努力創造我們這一代人的阿波羅時刻：看到人類（有色人種和所有性別的人）憑藉聰明才智、毅力和探索未知的動力，降落在月球表面。