月球玻璃解密月球“顏色”變化的奧秘

地球上聳立的高山、堅硬的巖石會在風力、流水、冰川和生命活動等日復一日的風化作用下，逐漸形成我們腳下松軟的土壤。荒涼貧瘠的月球上盡管缺乏大氣和水流，也沒有生命，但仍然存在著顯著的風化過程。這是因為月球沒有大氣層和磁場的保護，其表面直接暴露在了嚴峻的太空環境中，月表物質的結構、形態和成分等會在來自太空的隕石和微隕石撞擊、太陽風輻照等極端太空環境作用下不斷改變，發生太空風化，這是月球、水星、小行星等多種無大氣天體上普遍發生的風化過程。與地球上的風化類似，太空風化將月表的巖石礦物風化改造成了一層厚厚的疏松月壤，但和地球風化不同，太空風化還會產生獨特的光譜改造效應，使得月球表面不同風化程度的地區表現出不同的反射光譜（“顏色”），同一地區的光譜顏色也會隨時間發生變化。實際上，所有的天文遙感觀測手段都是對天體表層土壤進行的直接探測，如果不能準確理解認識太空風化導致的光譜特征變化，我們對光譜觀測數據的解讀就可能存在顯著偏差。

月表土壤在太空風化過程中積累產生的納米級粒徑的單質金屬鐵顆粒是導致月壤光譜顏色變化的主要原因，而且不同尺寸的納米鐵產生的光譜改造效應顯著不同：較小粒徑的納米鐵會引起光譜紅化，而大粒徑的納米鐵則會產生暗化的效果。盡管人們早已認識到納米鐵在月壤光譜顏色變化中的重要作用，然而經過幾十年的研究，對于不同尺寸納米鐵的具體形成機制仍然充滿爭議，尤其是在（微）隕石撞擊和太陽風輻照共同作用下，通常很難區分撞擊和輻照這兩大主要風化過程對月表風化層各自的作用，嚴重干擾了人們對不同空間環境下月表不同地區或其他無大氣天體光學性質的理解和預測。基于阿波羅月壤等大量研究普遍認為，撞擊導致的蒸發沉積作用是產生小粒徑納米鐵的主要機制，而大粒徑納米鐵則是由小納米鐵經由再次撞擊后熔化匯聚形成。然而，這一主流觀點無法解釋觀測到的大量光學遙感探測數據。

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、中國空間技術研究院楊孟飛院士和南京大學鄒志剛院士組織了聯合團隊，對我國首次地外天體采樣返回樣品——嫦娥五號月壤開展了系統研究。在前期揭示嫦娥五號月壤中多種類型玻璃物質的基礎上[National Science Reviws 12, nwad079 (2023)]，物理所非晶團隊進一步對月壤中一系列玻璃樣品進行了深入的微觀結構表征與分析，以期破解其所記錄的太空風化信息。團隊白海洋研究員、沈來權副研究員、博士后趙睿、博士生常超和懷柔研究部肖東東副研究員等發現，一顆月球玻璃珠能夠同時儲存多種不同尺寸大小、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，成功區分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，他們發現具有不同光譜改造效應的大、小尺寸納米鐵顆粒有著各自獨立的形成機制，分別對應于月球表面的（微）隕石撞擊和太陽風輻照作用，揭示出（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了重要而又各自不同的作用。這些發現深化了我們對于空間環境與月表物質相互作用機理的認識，也為未來理解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。

研究團隊結合自身在玻璃材料方面的研究背景，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了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。進一步觀測顯示，在旋轉玻璃珠的體內也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，也即高速隕石撞擊產生的高溫高壓條件在熔化礦物的同時也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，形成了大粒徑鐵顆粒，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可達幾百納米甚至微米量級的超大粒徑金屬鐵顆粒。另外，更進一步的系統觀測發現，在玻璃珠的表面也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，明顯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。精密表征揭示，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有明顯的伴生關系和共性的分布規律，并且當月壤顆粒的尺寸小于太陽風離子的穿透深度時，整個顆粒內部都充滿了密集的納米鐵顆粒。這些現象均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。對不同類型的嫦娥五號月壤礦物顆粒的檢測分析也驗證了上述發現的普遍性。

綜上，通過對嫦娥五號月壤太空風化產物納米金屬鐵的綜合認識，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，并證實大、小尺寸納米鐵的形成由撞擊和輻照作用分別主導，澄清了（微）隕石和太陽風在太空風化及天體顏色變化中各自發揮的關鍵作用。這些發現與近些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重要的指導意義。

相關研究結果以“Separate effects of irradiation and impacts on lunar metallic iron formation observed in Chang’e-5 samples”為題在線發表于《自然·天文學》（Nature Astronomy）。物理所沈來權、趙睿和常超為論文的共同第一作者，沈來權副研究員、肖東東副研究員和白海洋研究員為共同通訊作者。本研究感謝國家航天局提供的CE5C0400月壤樣品，研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院特別研究助理項目以及廣東省自然科學基金等的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02300-0

附圖：

圖1.含有納米鐵凸起撞擊玻璃珠的形態結構

圖2.月球玻璃珠內不同分布規律的小粒徑、大粒徑及超大粒徑金屬鐵顆粒的尺寸分布統計

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