阿波罗计划最受赞誉的是在月球上留下人类的足迹，但它们对科学的最大贡献是宇航员带回的岩石。称这382公斤的石头和风化层（覆盖月球和其他行星体表面的厚层碎石和尘埃）为宝藏，都无法充分表达它们的价值。在地球上的实验室中研究这些样本，有助于建立现代行星科学领域，并使我们对所有行星体上运行的地质过程有了重要的认识。
我出生得太晚，没能亲眼目睹阿波罗11号，但作为一名行星科学家，我的生活和职业生涯直接受到了六次登月任务带回的样本的影响。例如，我的一些研究涉及月球表面的爆炸性火山沉积物。我使用的数据来自宇航员在阿波罗15号和17号任务期间直接从地表采集的样本。其他数据是由科学家建造并送往月球的轨道飞行器收集的，这些飞行器是阿波罗任务所获得的科学和技术知识的直接成果。
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NASA阿波罗样品管理员Ryan Zeigler表示，在过去的50年中，NASA收到了来自15个以上国家/地区500多位科学家的3190份独特的月球样品请求。他说，几十年来，该机构已经分发了超过50,000个独特的月球样品，目前有145位科学家正在天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学和地质学等不同领域研究超过8,000个样品。最重要的是，月球岩石彻底改变了我们对三个主要主题的理解：月球表面的性质、月球的起源以及我们太阳系的演化。
古老的表面
在我们向月球发射航天器和人类之前，我们对地球的天然卫星的了解在很大程度上是推测性的，仅限于从地球上可以进行的观测。
这些研究表明，月球表面非常古老，因为它布满了撞击坑，这些撞击坑肯定需要数十亿年的时间才能累积。当我们最终登上月球时，我们确信了这一点。月球岩石到达地球后，地球化学家分析了其中以众所周知的速度衰变的同位素，发现月球样本比大多数地球岩石要古老得多——介于30亿年至45亿年之间。
在阿波罗15号、16号和17号任务期间采集的五个样本。图片来源：克里斯·冈恩
然后，行星科学家建立了一个联系，这将影响几乎所有后续对月球和其他行星体的研究：他们将阿波罗11号着陆点月球样本的首次测量年龄与每个样本采集区域的撞击坑数量进行了比较。然后，他们利用这些信息开发了一个模型，用于模拟撞击坑在月球表面形成的速度。通过这个模型，阿波罗样本点就像一块罗塞塔石碑，使科学家能够估算月球上（甚至其他行星体上）任何位置的年龄，而无需亲自前往。
最古老的样本大约有45亿年的历史，与月球本身的年龄基本相同。地球上的大多数岩石都比40亿年要年轻得多，这是因为板块构造不断循环地壳——月球上没有发生这种过程。因此，月球样本为了解太阳系早期古老岩石提供了重要的窗口。它们甚至可以告诉我们关于年轻地球的信息。今年三月，研究人员分析了一块阿波罗14号角砾岩（一种由其他焊接在一起的岩石碎片组成的岩石类型），确定其中一块碎片可能根本不是月球岩石。相反，它可能代表第一块地球陨石——一块在40亿年前从地球喷射出来，然后落在月球上的岩石。经过数十亿年，宇航员艾伦·谢泼德捡起了它并带回了家。
在休斯顿NASA约翰逊航天中心的阿波罗样品库，技术员查里斯·霍尔·克里舍尔正在处理“创世纪岩”（样品编号15415），这是阿波罗15号宇航员在月球表面采集的一块40亿年前的古老样本。这块岩石对于帮助科学家确定月球的起源和年龄至关重要。图片来源：克里斯·冈恩
月球的起源
在阿波罗计划之前，科学家们对月球和其他行星卫星是如何形成的提出了几种相互竞争的观点。也许地球捕获了另一个过于靠近的天体。也许在早期，我们的星球旋转得太快，以至于一个球状物从主体上分离出来。或者，地球和月球可能是在同一时间从最初的“原行星盘”中形成的，这个原行星盘孕育了我们太阳系中的所有行星。然而，在阿波罗任务之后，我们获得了完全不同的景象。
如今，关于月球起源的流行理论被称为大碰撞假说。这个观点基于阿波罗计划期间收集的证据，认为大约在45亿年前，一个大小与火星相当的天体（称为忒伊亚）撞击了地球，将自身撞碎，并将地球地壳和地幔的一部分喷射到太空。最终，喷射出的地球物质与忒伊亚的残余物混合在一起，积聚成一颗卫星，冷却后变成了月球。
阿波罗15号样品15415，被称为创世纪岩，它帮助科学家们发展出关于月球如何形成的主流理论。图片来源：克里斯·冈恩
该模型受到了阿波罗样本和表面实验的许多观测结果的影响，其中包括
铁：月球的铁含量出奇地少。阿波罗任务部署的表面地球物理实验表明，与类地行星相比，月球的核心在其体积中所占的比例非常小，仅占其总半径的25%。月球小核心表明相对缺乏铁，这证明了地球在发生大碰撞时已经形成了一个富含铁的中心，几乎没有留下铁来形成月球。
干燥度：月球样本被证明非常干燥，几乎完全耗尽了挥发物——沸点低、容易蒸发的元素或分子，例如水、二氧化碳、氮气和氢气。为了解释这种耗尽，科学家们认为，大碰撞产生的大量能量和热量可能驱散了原月球碎片中的挥发物。
岩浆海洋：月球样本中最有影响力的假说之一是早期月球上存在岩浆海洋的观点。阿波罗11号样本表明，月球高地（明亮、高耸的区域，与低洼区域的黑暗月海相对）含有高浓度的斜长石矿物。含有这种矿物的岩石的纹理表明，它是由一大块冷却的熔岩形成的，而轻质的斜长石晶体漂浮到顶部。由于之前的机器人任务在其他地点也发现了类似的岩石，并且月球高地分布广泛，因此岩浆层一定覆盖了月球表面的大部分或全部。在第一批阿波罗样本返回后的仅仅六个月，两个独立的团队就提出了早期岩浆海洋的观点。来自地球化学和地球物理学的几条其他证据支持岩浆海洋模型，该模型至今仍在发展中。
使大碰撞模型复杂化的一条证据是阿波罗样本中各种同位素（一种元素的原子，其质量与“常规”原子不同）的浓度。研究人员在2001年和2012年使用一种称为激光氟化的方法发现，月球和地球之间的氧同位素和钛同位素的组成几乎相同。如果月球是由忒伊亚和地球物质的混合物形成的，为什么它会具有类似地球的同位素组成？这一证据激发了新的想法，例如行星科学家西蒙·J·洛克和莎拉·T·斯图尔特在《起源故事》中描述的“合胞体”模型。
管理处理器将阿波罗15号样品从其不锈钢储存柜的气闸中取出。图片来源：克里斯·冈恩
太阳系的故事
对月球样本的研究也使我们了解了其他行星体。也许最重要的结果是太阳系演化的尼斯模型（之所以如此命名，是因为它是在法国尼斯创建的）。根据该模型，外太阳系的巨行星最初形成时彼此靠近。经过数亿年后，它们的轨道变得不稳定，导致土星、天王星和海王星迅速迁移到它们目前的轨道，这些轨道离太阳远得多。巨行星的运动将来自外太阳系（柯伊伯带）的物质向内拉，在那里它与行星和卫星碰撞，并在整个太阳系中造成普遍混乱。
这个模型听起来可能有些牵强，但它优雅地解释了许多看似不相关的关于我们宇宙邻居的观测结果。例如，通过对阿波罗样本进行年代测定并分析撞击坑，科学家们得出结论，在行星形成后约7亿年，月球上发生了灾难性的撞击峰值，被称为“后期重轰炸期”。最初，对于为什么撞击次数会在此时突然跃升，没有简单的解释。然而，尼斯模型中预测的混乱撞击时期为该确切时代的撞击体提供了来源。
除了告诉我们太阳系的演化之外，月球样本还使科学家能够研究行星表面的化学演化。“太空风化”是描述没有大气层的天体上发生的物理和化学侵蚀过程。对从地表采集的阿波罗土壤的研究表明，它们含有胶结物、焊接玻璃和矿物碎片，这些碎片是由微小尘埃颗粒的撞击产生的。这些胶结物随着时间的推移而积累，可以占成熟风化层样本的60%到70%。太空风化还产生了称为纳米相铁的微小元素铁球，并在某些土壤颗粒的外缘堆积，导致表面随着时间的推移而变暗。我们现在知道，太阳辐射、大的温度波动和微陨石的持续轰击是太空风化的一些来源。
未来的样本
对于月球科学来说，这是一个激动人心的时刻：今年，一批自近50年前在月球上采集以来一直未开封的样本将被发布。在采集岩石时，NASA有意留下了一部分密封，以等待技术进步超越阿波罗时代的水平。今年三月，阿波罗下一代样品分析（ANGSA）计划选择了九个研究团队，以接收来自阿波罗15号、16号和17号的未开封真空密封样品。研究“新的”月球样品的机会可能会带来更多关于我们天然卫星形成和演化的基本发现。
尽管我们从阿波罗样本和表面实验中学到了很多，并且无疑将从新的样本中学习到更多，但我们迫切需要更多样本。例如，我们没有来自月球背面、极地地区或深层内部的公认样本。我特别想拥有的两个样本是来自月球背面南极-艾特肯盆地的物质和来自极地陨石坑的冰。南极-艾特肯盆地是月球上已知最大的撞击盆地——也是太阳系中最大的撞击盆地之一——其内部可能包含来自月球下地壳甚至地幔的物质。研究南极-艾特肯盆地还将帮助我们了解极大的盆地如何塑造行星体的表面和内部。返回月球极地冰样本将告诉我们月球水的年龄和起源——反过来，这可以阐明地球的水起源于何处。
这些愿望清单上的样本可能来自人类探测或机器人任务：行星科学家之间对于哪种方法最好没有共识。许多专家正确地认为，机器人任务更便宜、更安全，并且可以比人类任务持续更长时间。另一方面，人类比机器人更有可能挑选出更多种类的异常标本，阿波罗样本套件的多样性（岩石、铲取和筛分的土壤、巨石碎片、钻孔岩心）、样本体积和样本地质（成分、岩石类型、年龄）证明了这一点。
阿波罗计划代表着一项独特的成就，从根本上改变了我们对太阳系的看法。当我们庆祝人类首次迈出巨大一步50周年之际，自哈里森·“杰克”·施密特和已故的尤金·塞尔南于1972年12月14日在阿波罗17号任务期间离开月球表面以来，再也没有人类踏上过另一个行星体。作为一名深受这些任务鼓舞的科学家，我正在积极努力创造我们这一代人的阿波罗时刻：看到人类（有色人种和所有性别的人）凭借聪明才智、毅力和探索未知的动力，降落在月球表面。