最古老撞擊“疤痕”來自42.5億年前

　　月球背面的南極-艾特肯盆地直徑約為2500公里，是月球最古老、最大的撞擊“疤痕”，記錄了月球幼年時期遭受的巨大“創傷”。這個“疤痕”究竟有多古老？這是國際深空探測領域長期以來的首要科學目標之一，也是月球科學研究的最大懸案之一。

　　如今，基于嫦娥六號月壤樣品研究，中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員陳意團隊發現，這個古老的盆地形成于42.5億年前。相關研究近日發表于《國家科學評論》。

　　為月球最古老“疤痕”定年，意味著人類在了解太陽系早期大型撞擊歷史方面有了更精確的“宇宙時鐘”標尺，對理解月球乃至太陽系早期演化具有重大科學意義。

　　一個懸疑

　　兩種推論

　　為什么要了解艾特肯盆地的撞擊形成時間？論文通訊作者陳意表示，這不僅關乎月球演化歷史的關鍵節點，也是了解太陽系撞擊史的黃金參照。

　　“撞擊作用是天體形成與演化過程中最重要的外部動力過程，內太陽系的天體經歷了相似的撞擊歷史。”陳意解釋說，“太陽系內一個天體的撞擊記錄是整個太陽系撞擊歷史的縮影。”

　　月球表面遍布大大小小的隕石撞擊坑，是了解太陽系天體撞擊歷史的“最佳靶點”——它距離地球最近，人類能夠獲取撞擊坑樣品，且月球上沒有板塊構造運動，古老的撞擊痕跡保存較為完好。作為月球撞擊坑中的“老大哥”，艾特肯盆地可謂是記錄月球撞擊歷史的起始錨點，也是太陽系留給人類珍貴的“宇宙時鐘”，有助于為火星、水星等行星撞擊坑建立統一年齡標尺。

　　為此，相關研究在國際深空探測領域長期占據重要地位。然而，長期以來，人類并未獲得來自艾特肯盆地“第一現場”的樣品實證。

　　此前，科學家只能利用兩種主要方法推測。其一通過撞擊隕石坑統計法，獲得的年齡范圍為42.6億年到大于43.3億年。其二通過研究地球上的月球隕石樣品、采集自月球正面的阿波羅樣品，發現月球在43.5億年至43.3億年前曾發生過一次全月熱事件，推測可能為艾特肯大型撞擊事件。

　　這些推測是否準確？嫦娥六號樣品為回答這一問題提供了契機。

　　一次“嚴絲合縫”的新推理

　　早在2023年，地質地球所就提前成立了嫦娥六號月壤樣品研究“突擊隊”，組織十余個團隊圍繞月背火山活動、磁場、揮發分、撞擊時間等一系列重大問題展開預研究。

　　“月球上撞擊坑很多，‘老坑套新坑’，光是艾特肯撞擊坑內就有數十萬個小撞擊坑。拿到樣品前，我們最關注的問題是哪種物質能用于艾特肯盆地定年。”陳意說。通過查閱大量文獻調研，尤其是遙感光譜數據分析，他們認為蘇長巖可能蘊含著艾特肯盆地的撞擊密碼。

　　前期工作讓搜索范圍大幅縮小。2024年8月24日，陳意團隊在接到樣品后第一時間就投入緊張而有條不紊的研究中。僅用兩周時間，他們就得出了初步結論。

　　“嫦娥六號著陸器降落的位置十分特殊，就在艾特肯撞擊坑內部的另一個‘疤痕’——更年輕的阿波羅撞擊坑南部邊緣。這一區域經歷了多次撞擊和28億年的玄武巖噴發覆蓋。”陳意一邊指著月球儀一邊解釋說，這意味著嫦娥六號采集的月壤樣品極可能蘊含著不同時期的物質碎片。

　　如何在這些碎片中精準找到獨屬于艾特肯撞擊坑的碎片遺跡，并推理出精確的撞擊年代？這并非一道簡單的推理題。陳意團隊在研究中反復驗證推理邏輯的嚴謹性，并多次和國際同行“過招兒”。

　　嫦娥六號樣品中大部分是表土角礫巖和玄武巖。研究團隊首先像篩面粉一樣，用一個小篩子在5克月壤樣品中篩選出大于200微米的巖屑，然后在體式顯微鏡下，通過人工精挑細選挑出600余顆巖屑，最后利用掃描電鏡開展大量的巖相學觀察與分析，終于找到了12顆具有代表性的蘇長質巖屑顆粒。

　　接下來的關鍵問題是它們來自哪個時期。年代學研究給出的線索是，9顆來自38.7億年前、3顆來自42.5億年前。

　　“那么，更年輕的蘇長巖可能屬于阿波羅撞擊坑，更古老的則屬于艾特肯盆地？”記者問。

　　陳意笑答：“這個直覺很準。科學有時需要直覺，但并不能把直覺當證據。”

　　要完善證據鏈，還需探究多個關鍵問題：這些蘇長質巖屑的物質成分是什么？它們是否來自月背著陸區附近，是否由撞擊形成的？

　　事實上，美國科學家在月球正面采集的阿波羅樣品中也含有蘇長巖。但這種蘇長巖是月球內部熔融的產物，與撞擊這種外動力過程沒有關系。

　　“我們的巖石學、地球化學研究表明，盡管嫦娥六號蘇長質巖屑在全巖成分和礦物組成上與阿波羅樣品中的蘇長巖一致，但在礦物的主、微量元素成分上有明顯區別。”論文第一作者、地質地球所副研究員蘇斌說。

　　那又如何證明它們是由撞擊形成的？陳意解釋說，當一個外部天體或隕石撞擊月球砸出撞擊坑時，強烈的動能會轉換成熱能引起撞擊體快速氣化，并且使得月球巖石發生高溫熔融。在此過程中，鉀、鈉、磷等易揮發的元素會“跑掉”，而撞擊體內部殘留的難熔性物質如金屬顆粒，會“加入”月球自身的熔融物質，從而有可能在熔融結晶形成的新生巖石中留下痕跡。

　　研究團隊對嫦娥六號蘇長質巖屑開展的分析佐證了上述特點。極低的揮發性元素含量、較高的鎳/鈷元素比值和熔融殘留礦物，這些特征均指示其為撞擊熔巖。這是一類與阿波羅樣品蘇長巖完全不同的新型月球蘇長巖，他們將其命名為南極-艾特肯蘇長巖（SPANs）。

　　推理到此，證據鏈似乎已經“嚴絲合縫”，但國際評審人提出了更多問題：樣本量是否足夠？能否通過更大范圍的區域地質背景調查證明蘇長巖源區的可靠性？

　　為此，陳意帶領團隊一方面增加了1000顆巖屑分析（總計1600顆巖屑），從中又挑選出8顆蘇長質巖屑（總計20顆）進行系統研究，最終發現總共有5顆蘇長質巖屑記錄了42.5億年前的大型撞擊事件。另一方面，他們基于447GB的遙感數據，開展了艾特肯盆地內部及周邊地區大范圍巖性填圖和溯源，發現嫦娥六號采回的42.5億年前的蘇長巖與著陸區南部艾特肯盆地內環成分異常區的蘇長巖極為相似。

　　據此，研究團隊最終判定，月球艾特肯盆地形成于42.5億年前，嫦娥六號著陸區的阿波羅盆地則形成于38.7億年前。

　　享受“苦中作樂”的過程

　　“研究者提出了令人信服的證據，將這兩個看起來足夠精確的年代與兩個撞擊盆地聯系起來。”丹麥哥本哈根大學太陽與行星研究中心教授James Connelly說。

　　中國科學院院士徐義剛在同行評審中寫道：“這項研究強有力地證明了艾特肯盆地的年齡為42.5億年，鑒于這個時代在月球科學中的極端重要性，建議將其發表在《國家科學評論》上。”

　　42.5億年，這個數字究竟意味著什么？

　　陳意表示，這意味著在太陽系形成后約3.2億年，一次大型撞擊事件形成了艾特肯盆地，為月球撞擊坑統計定年法提供了來自月背的初始錨點。同時，基于月球正面樣品校正的撞擊曲線，計算艾特肯盆地模式年齡與同位素定年結果基本一致，表明月球早期正面和背面的撞擊通量大致相當。

　　此外，這項研究還表明，此前來自月球隕石樣品和月球正面樣品的推論并不成立——43.5億年至43.3億年前的全月熱事件與艾特肯大型撞擊并無關系，為重塑月球早期一級演化序列提供了參考基點和科學依據。

　　成果背后，研究團隊歇人不歇儀器，每個人都做好自己的工作，使整個流程不卡頓。這讓他們在兩周內一氣呵成完成了樣品篩選、數據分析、論文撰寫。

　　“雖然嫦娥六號樣品分析時間緊、任務重，但我比較享受師生近距離交流的合作過程。”開展巖相學分析的博士生王則靈說。

　　博士生陳浩杰則表示，在顯微鏡下觀測1600顆巖屑比較枯燥，但師生之間“打賭猜石”會讓這個過程變得有趣。“‘賭注’往往是請一杯熱飲。”陳浩杰笑著說，他很享受這個“苦中作樂”的過程。

　　“拿到嫦娥六號這個史無前例的月背樣品，我們都很興奮，求知欲非常強烈，希望盡快找到答案。能在艾特肯盆地年齡這個重要問題上給出中國人的答案，讓我們特別興奮。”陳意說。現在，他們正以同樣的熱情投入下一步的月球樣品研究。