科學家利用月球玻璃解密月球“顏色”變化的奧秘
發布時間:2024.07.03        閱讀次數:

近年來,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華院士團隊,聯合中國空間技術研究院楊孟飛院士團隊、南京大學鄒志剛院士團隊,對我國首次地外天體采樣返回樣品——嫦娥五號月壤開展了研究。

在前期揭示嫦娥五號月壤中多種類型玻璃物質的基礎上,物理所非晶團隊進一步對月壤中一系列玻璃樣品進行了微觀結構表征與分析,以期破解其所記錄的太空風化信息。該研究發現,一顆月球玻璃珠能夠同時儲存不同尺寸、分布規律和顯微特征的納米金屬鐵顆粒,并借助玻璃珠明確的撞擊起源和旋轉特征,鑒別出在玻璃珠形成凝固前后分別產生的大、小粒徑納米鐵顆粒。進一步,交叉結合天文學、空間科學等學科知識,研究發現具有不同光譜改造效應的大、小尺寸納米鐵顆粒具有獨立的形成機制,分別對應于月球表面的(微)隕石撞擊和太陽風輻照作用,揭示了(微)隕石撞擊和太陽風輻照這兩大空間活動在太空風化過程中均起到重要而不同的作用。這深化了科學家對空間環境與月表物質相互作用機理的認識,為未來探索和預測月球磁性異常區、月球陰影區以及不同太空環境下小行星等天體顏色的變化規律提供了啟示。

該研究選擇月壤中普遍存在的撞擊玻璃顆粒為切入點,發現在嫦娥五號月壤中除前期報道的圓潤玻璃珠外,還存在著兩端含有大粒徑納米鐵凸起的橢球或啞鈴狀玻璃珠。觀測發現,在旋轉玻璃珠的體內鑲嵌著大量趨向兩端分布的、尺寸在幾十納米量級的較大粒徑鐵顆粒。結合顯微分析表明,這些大粒徑納米鐵是在玻璃珠凝固前的高溫撞擊熔體中產生的,即高速隕石撞擊產生的高溫高壓條件在熔化礦物的同時將含鐵氧化物或硫化物等轉化為單質鐵。這些單質鐵在熔液中迅速成核長大,形成大粒徑鐵顆粒,并在熔滴飛濺旋轉過程中受離心力作用向兩端遷移,最終伴隨著熔滴凝固形成玻璃珠而被“凍結”保存下來。這種玻璃熔滴飛濺旋轉導致的匯聚作用,會誘發形成尺寸達幾百納米甚至微米量級的超大粒徑金屬鐵顆粒。

進一步的觀測發現,在玻璃珠的表面密集分布著尺寸在幾個納米量級的小粒徑納米鐵顆粒。然而,不同于阿波羅月壤顆粒邊緣報道的富含納米鐵顆粒的表面沉積非晶層,這里觀測到的濃密分布的小粒徑納米鐵分布在月壤顆粒沉積非晶層以下,集中在月壤顆粒自身表面百納米深度的輻照損傷層內。精密表征發現,在太陽風離子的有效注入深度內,輻照損傷導致的氣孔或囊泡缺陷與小粒徑納米鐵顆粒的析出存在明顯的伴生關系和共性的分布規律。同時,當月壤顆粒的尺寸小于太陽風離子的穿透深度時,整個顆粒內部充滿了密集的納米鐵顆粒。這說明了表面分布的小粒徑納米鐵的太陽風輻照起源,表明了太陽風對月表光譜的改造作用遠比先前認為的更為重要。此外,對不同類型的嫦娥五號月壤礦物顆粒的檢測分析驗證了上述研究的普遍性。

對嫦娥五號月壤太空風化產物納米金屬鐵的綜合研究,突破了經典觀念中由撞擊沉積或單一機制主控的納米鐵成因,強調了納米鐵顆粒的多重起源,并證實了大、小尺寸納米鐵的形成分別由撞擊和輻照作用主導,澄清了(微)隕石和太陽風在太空風化及天體顏色變化中的關鍵作用。上述成果與近年來大量的遙感探測光譜數據相吻合,對于預判經歷不同太空環境的天體或地區的光學性質具有指導意義。

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