月球“調(diào)色盤”的秘密被破解？答案就在嫦五捎回的月壤里！

出品：科普中國

作者：可可（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

當(dāng)我們仰望夜空中的月亮?xí)r，那銀白色的光芒似乎亙古不變。然而，在科學(xué)家們的眼中，月球表面正在經(jīng)歷著一場緩慢而持續(xù)的變化。這種變化不僅影響著月球的外觀，也蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)信息。

近日，中國科學(xué)家們通過對嫦娥五號帶回的月壤樣本進(jìn)行深入研究，揭示了這一神秘變化背后的奧秘。這項由中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華院士團(tuán)隊、中國空間技術(shù)研究院楊孟飛院士團(tuán)隊和南京大學(xué)鄒志剛院士團(tuán)隊共同完成的研究，不僅深化了我們對月球表面演化的認(rèn)識，還為未來探索其他天體提供了重要啟示。

讓我們一起揭開月球“顏色”變化的神秘面紗。

月球玻璃：太空風(fēng)化的時光膠囊

在嫦娥五號帶回的月壤樣本中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種特殊的物質(zhì)——月球玻璃珠。這些微小的玻璃珠并非人工制品，而是自然形成的。它們就像是記錄太空風(fēng)化過程的時光膠囊，里面蘊(yùn)含著豐富的信息。

（微）隕石撞擊和太陽風(fēng)輻照對月球表面的風(fēng)化作用

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

這些玻璃珠的形成過程十分獨(dú)特，當(dāng)高速隕石或微隕石撞擊月球表面時，巨大的能量會使撞擊點附近的巖石瞬間熔化。這些熔融的巖石物質(zhì)在撞擊的沖擊波作用下被拋向空中，在飛行過程中快速冷卻，形成了各種形狀的玻璃顆粒。其中，部分熔滴在飛行過程中高速旋轉(zhuǎn)，最終凝固成為球形或橢球形的玻璃珠。

研究團(tuán)隊在這些玻璃珠中發(fā)現(xiàn)了大量的納米級金屬鐵顆粒，這些微小的鐵顆粒是導(dǎo)致月球表面光學(xué)性質(zhì)變化的關(guān)鍵因素。納米鐵顆粒的存在會改變月球表面對不同波長光的反射特性，從而影響我們觀察到的月球“顏色”。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些納米鐵顆粒并非均勻分布在玻璃珠中。它們的大小、分布和形成機(jī)制存在顯著差異，這為理解月球表面的演化過程提供了重要線索。

研究人員利用了先進(jìn)的原位電子顯微技術(shù)，實現(xiàn)了對納米鐵顆粒形成過程的動態(tài)觀察。這種技術(shù)讓科學(xué)家們能夠“看到”納米顆粒是如何在玻璃珠中成長和遷移的，為理解其形成機(jī)制提供了直接的實驗證據(jù)。

玻璃珠中存在兩種不同尺寸的納米鐵顆粒，一種較大，一種較小。其中，較大的納米鐵顆粒（尺寸在幾十納米量級）主要分布在玻璃珠的兩端。這些大顆粒的形成與隕石撞擊密切相關(guān)。

當(dāng)高速隕石撞擊月球表面時，產(chǎn)生的高溫高壓條件將含鐵礦物熔化并轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鐵。這個過程可能涉及兩種機(jī)制：一是撞擊引發(fā)的不成比例反應(yīng)，即含鐵氧化物在極端條件下分解為單質(zhì)鐵和氧氣；二是熱分解過程，即含鐵硫化物等在高溫下分解產(chǎn)生單質(zhì)鐵。

這些新生成的單質(zhì)鐵在熔融的玻璃珠中快速成核和生長，形成了較大的納米鐵顆粒。有趣的是，科學(xué)家們還觀察到這些鐵顆粒在玻璃珠中的特殊分布。在玻璃珠旋轉(zhuǎn)過程中，離心力作用使這些鐵顆粒向兩端遷移，最終在玻璃珠凝固時被“凍結(jié)”在兩端位置。

更令人驚訝的是，這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的匯聚作用有時會產(chǎn)生尺寸達(dá)幾百納米甚至微米量級的超大金屬鐵顆粒。這一發(fā)現(xiàn)為我們理解月球表面的微觀結(jié)構(gòu)提供了新的視角。

除此之外，研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，除了常見的圓形玻璃珠外，還存在一些兩端含有大粒徑納米鐵凸起的橢球或啞鈴狀玻璃珠。這種特殊形狀的玻璃珠為研究納米鐵的形成和分布提供了絕佳的“實驗室”。

月蝕期間呈淡紅色的月球

（圖片來源：維基百科）

太陽風(fēng)輻照：小顆粒納米鐵的源泉

科學(xué)家們還在玻璃珠表面發(fā)現(xiàn)了大量更小的納米鐵顆粒（尺寸僅幾個納米）。這些小顆粒主要分布在月壤顆粒表面百納米深度的區(qū)域內(nèi)，恰好對應(yīng)太陽風(fēng)離子的有效注入深度。

太陽風(fēng)是從太陽表面持續(xù)噴射出的帶電粒子流，主要由質(zhì)子和電子組成。這些高能粒子不斷轟擊月球表面，導(dǎo)致表層物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)變化。研究發(fā)現(xiàn)，在太陽風(fēng)離子注入的深度范圍內(nèi)，輻照損傷導(dǎo)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(guān)系。這一現(xiàn)象明確了小粒徑納米顆粒與太陽風(fēng)輻照之間的因果關(guān)系。

**這一發(fā)現(xiàn)顛覆了科學(xué)界之前的認(rèn)知。**傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，納米鐵主要形成于月壤顆粒表面的非晶沉積層中。然而，這項研究表明，小粒徑納米鐵實際上分布在沉積層以下的輻照損傷層內(nèi)。這意味著太陽風(fēng)對月球表面的光譜改造作用遠(yuǎn)比先前認(rèn)為的更為重要和深入。

更有趣的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)月壤顆粒的尺寸小于太陽風(fēng)離子的穿透深度時，整個顆粒內(nèi)部都充滿了密集的納米鐵顆粒。這一觀察結(jié)果進(jìn)一步證實了太陽風(fēng)輻照在形成小粒徑納米鐵中的關(guān)鍵作用。

月球玻璃珠和納米金屬鐵的形成與演化

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

月亮顏色變化的新解釋

這項研究突破了傳統(tǒng)觀點中認(rèn)為納米鐵主要由單一機(jī)制形成的看法?？茖W(xué)家們證實，不同尺寸的納米鐵顆粒有著不同的形成機(jī)制：大顆粒主要由隕石撞擊產(chǎn)生，而小顆粒則主要源于太陽風(fēng)輻照。

這一發(fā)現(xiàn)為理解月球表面顏色變化提供了全新的視角。月球表面的光學(xué)性質(zhì)變化，實際上是這兩種機(jī)制共同作用的結(jié)果。大顆粒納米鐵主要影響月球表面的整體反射率，而小顆粒納米鐵則更多地影響光譜的細(xì)節(jié)特征。

通過理解這兩種機(jī)制的相對貢獻(xiàn)，科學(xué)家們現(xiàn)在能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測月球不同區(qū)域的光學(xué)性質(zhì)變化。例如，在月球的磁性異常區(qū)，太陽風(fēng)的影響可能較弱，因此這些區(qū)域的顏色變化可能主要受隕石撞擊的影響。相反，在月球赤道地區(qū)，太陽風(fēng)輻照更為強(qiáng)烈，小粒徑納米鐵的形成可能更為顯著。

此外，這項研究還為理解月球陰影區(qū)的演化提供了新思路。在永久陰影區(qū)，由于缺乏太陽風(fēng)輻照，顏色變化可能主要由隕石撞擊主導(dǎo)。這對于探索月球極地地區(qū)的水冰資源具有重要意義。

剛過滿月的月球

（圖片來源：維基百科）

結(jié)語

這項研究不僅揭示了月球表面顏色變化的機(jī)制，還深化了我們對太空環(huán)境與天體表面相互作用的認(rèn)識。通過分析不同尺寸納米鐵的形成機(jī)制，科學(xué)家們實際上構(gòu)建了一個微觀尺度的太空風(fēng)化模型。

這個模型不僅適用于月球，還可以擴(kuò)展到其他無大氣天體，如小行星和水星等。通過比較不同天體表面的納米鐵特征，我們可以推斷它們所經(jīng)歷的太空環(huán)境歷史，從而更好地理解太陽系的演化過程。

研究成果為未來的月球和小行星探測任務(wù)提供了重要參考，也開辟了太空風(fēng)化研究的新方向。

嫦娥五號帶回的月壤樣本，猶如打開了一扇通往月球秘密的大門。通過對月球玻璃珠的精細(xì)研究，中國科學(xué)家們不僅揭示了月球“顏色”變化的奧秘，還為我們展示了宇宙環(huán)境對天體表面的深遠(yuǎn)影響。隨著探月工程的深入和分析技術(shù)的進(jìn)步，我們期待著更多關(guān)于月球乃至整個太陽系的驚人發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

1.Laiquan Shen, Rui Zhao, Chao Chang, Jihao Yu, Dongdong Xiao, Haiyang Bai, Zhigang Zou, Mengfei Yang & Weihua Wang, Separate effects of irradiation and impacts on lunar metallic iron formation observed in Chang’e-5 samples