中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉洋研究員團(tuán)隊(duì)基于“嫦娥四號(hào)”月球車獲得的超高空間分辨率圖像和光譜數(shù)據(jù)，首次在月球表面原位確定了1 歲。碳質(zhì)球粒隕石撞擊物的遺跡不到一百萬(wàn)年。此前的研究曾在阿波羅樣本中發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石碎片，但從未通過(guò)月球表面遙感探測(cè)直接觀測(cè)到碳質(zhì)球粒隕石的撞擊遺跡。

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阿里云11.11云嘉年華活動(dòng)廳

劉洋團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，揮發(fā)性碳質(zhì)小行星的撞擊仍可能為當(dāng)前的月球提供水。同時(shí)，研究表明，相對(duì)年輕的月表物質(zhì)（如“嫦娥五號(hào)”返回的樣本）中存在撞擊物殘留的可能性。對(duì)“嫦娥五號(hào)”樣本中可能存在的這些撞擊體殘留物進(jìn)行直接分析，將為地月系統(tǒng)撞擊體成分和類型的演化歷史提供重要參考，有望進(jìn)一步約束太陽(yáng)系軌道動(dòng)力學(xué)的演化。增進(jìn)對(duì)內(nèi)太陽(yáng)系撞擊歷史的了解。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然天文學(xué)》（《自然-天文》）上。

“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器于2019年1月成功降落在月球背面南極-艾肯盆地馮·卡門撞擊坑，其搭載的“玉兔二號(hào)”月球車隨后進(jìn)行連續(xù)巡視探測(cè)月球表面。 “玉兔二號(hào)”搭載的全景相機(jī)和可見-近紅外成像光譜儀可以獲取超高分辨率月面圖像和高光譜數(shù)據(jù)（1毫米/像素）。 “玉兔二號(hào)”在月面巡視過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小型新鮮撞擊坑，并于本月10日對(duì)撞擊坑進(jìn)行了詳細(xì)的光譜探測(cè)（圖1）。劉洋團(tuán)隊(duì)根據(jù)全景相機(jī)近距離拍攝到的撞擊坑圖像，發(fā)現(xiàn)撞擊坑中心存在一些與撞擊坑壁和撞擊坑外部月壤明顯不同的物質(zhì)（圖1b).研究分析了成像光譜儀獲得的高光譜圖像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)撞擊坑中心的疑似“殘留物”與撞擊坑內(nèi)外典型的月壤和巖石碎片的光譜表現(xiàn)出明顯不同的特征（圖1c） ）。一般情況下，月表巖石或月壤的反射光譜會(huì)呈現(xiàn)“變紅”的特征（即反射率隨著波長(zhǎng)的增加而增大，表現(xiàn)為光譜曲線整體正斜率），并且月球表面發(fā)生的太空事件通常會(huì)進(jìn)一步加劇這種微紅色的特征。然而，撞擊坑中心的疑似殘留物的光譜呈現(xiàn)出“藍(lán)色”特征（即反射率隨著波長(zhǎng)的增加而降低，整體光譜曲線呈現(xiàn)負(fù)斜率）。由此，劉洋團(tuán)隊(duì)推測(cè)，其中可能混有某種具有藍(lán)色光譜特征的外來(lái)撞擊物物質(zhì)。在小行星中，只有碳質(zhì)小行星的光譜具有藍(lán)色特征。研究收集了大量碳質(zhì)球粒隕石的光譜，經(jīng)過(guò)仔細(xì)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，殘留物確實(shí)與碳質(zhì)隕石的光譜非常相似（圖2）?；谳椛鋫鬏斈Ｐ偷亩抗庾V反演結(jié)果顯示，殘?jiān)刑假|(zhì)隕石成分占40wt.%以上。

為了進(jìn)一步證實(shí)上述分析結(jié)果，劉洋團(tuán)隊(duì)對(duì)撞擊坑進(jìn)行了詳細(xì)的形態(tài)分析（圖3）?；凇坝裢枚?hào)”全景相機(jī)獲取的立體圖像對(duì)，研究人員利用攝影測(cè)量方法構(gòu)建了覆蓋小隕石坑及附近區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型（DEM）。研究對(duì)四個(gè)不同方向的高程剖面分析表明，包含中心凹陷時(shí)的撞擊坑深徑比約為1:5，除去中心凹陷后的深徑比約為1:10。這遠(yuǎn)高于該區(qū)域（1:17附近）二次撞擊坑的深徑比，表明該撞擊坑應(yīng)該屬于一次撞擊坑，而不是由原始撞擊產(chǎn)生的濺射物造成的二次撞擊再次撞擊月球表面。坑。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述研究成果，劉洋團(tuán)隊(duì)利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)撞擊坑進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，直徑為15厘米的松散撞擊體以15公里/秒的速度（月球表面典型撞擊體速度）撞擊月球表面，可以形成上面觀察到的小型撞擊坑的形態(tài)特征，并且存在是分布在沖擊坑中心的殘留物。分析結(jié)果表明，撞擊坑可能是小型碳質(zhì)隕石撞擊后形成的。

撞擊輸送過(guò)程被認(rèn)為是月球表面水和永久陰影區(qū)水冰的主要貢獻(xiàn)者之一，而碳質(zhì)小行星在小天體中水和揮發(fā)物含量相對(duì)豐富（圖4）。在此過(guò)程中攜帶的一些水可能會(huì)保留在月球表面。此前在地面進(jìn)行的高速?zèng)_擊模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊體中高達(dá)30wt.%的水可能保留在沖擊熔體或殘?jiān)?。根?jù)撞擊坑退化模型，劉洋團(tuán)隊(duì)估算了撞擊坑的形成年齡。結(jié)果表明，撞擊坑應(yīng)該在一百萬(wàn)年前形成。對(duì)碳質(zhì)撞擊遺跡的直接觀察表明，類似的碳質(zhì)隕石遺跡在月球表面可能很常見，并且將出現(xiàn)在嫦娥五號(hào)從月球表面相對(duì)年輕的玄武巖單元返回的樣本中。很有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)類似的撞擊遺跡。屆時(shí)，結(jié)合主要微量元素和同位素年代學(xué)分析，將更好地確定撞擊體的成分和類型的演化。未來(lái)，利用更高空間分辨率的遙測(cè)光譜數(shù)據(jù)，將有可能在月球表面更多地方找到類似的撞擊遺跡分布，從而進(jìn)一步加深我們對(duì)月球水的來(lái)源和分布的認(rèn)識(shí)。

來(lái)自夏威夷大學(xué)、澳門科技大學(xué)、北京大學(xué)和香港理工大學(xué)的研究人員參與了這項(xiàng)研究。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、民用航天領(lǐng)域前沿研究以及中國(guó)博士后科學(xué)基金專項(xiàng)資助的支持。

論文鏈接

圖1 “玉兔二號(hào)”對(duì)巡邏路徑上“遇到”的一個(gè)新鮮小隕石坑進(jìn)行了詳細(xì)的光譜探測(cè)。 a.由“玉兔二號(hào)”攜帶的全景相機(jī)拍攝的圖像拼接而成的全景圖?？梢钥吹阶矒艨雍椭懫鞯南鄬?duì)位置； b.全景相機(jī)拍攝了小型撞擊坑的特寫鏡頭。該圖像是假彩色圖像，撞擊坑中心的黃綠色部分是可能的撞擊體的殘余物，白色框表示成像光譜觀察的區(qū)域； C。成像光譜觀測(cè)區(qū)提取的典型“殘?jiān)?、月壤、巖石碎片的反射光譜； d.成像光譜儀獲得的觀察區(qū)域的圖像。 （Yang 等人，2021 年《自然天文學(xué)》）

圖2 撞擊殘留物的光譜與阿波羅月球玻璃和碳質(zhì)球粒隕石的光譜比較。 （Yang 等人，2021 年《自然天文學(xué)》）

圖3.目標(biāo)撞擊坑的數(shù)字高程模型（DEM）和基于iSALE的數(shù)值撞擊模擬結(jié)果。 A。使用全景相機(jī)獲取的立體圖像對(duì)構(gòu)建的撞擊坑DEM； b.撞擊坑四個(gè)不同方向的高程剖面圖； C?；趇SALE的撞擊坑數(shù)值模擬結(jié)果，很好地復(fù)制了觀測(cè)到的撞擊坑剖面形貌和殘?jiān)植继卣鳌?（Yang 等人，2021 年《自然天文學(xué)》）

圖4. 月球水的可能來(lái)源（照片來(lái)自：LPI/David A. Kring）