“撞击汽化”：科学家确定了月球稀薄大气的起源

一项新的研究发现，月球上几乎不存在的大气层，很可能是数十亿年来陨石撞击的产物。

虽然，月球上没有任何可呼吸的空气，但它的大气层却很稀薄。自20世纪80年代以来，天文学家观察到月球表面有一层非常薄的原子在弹跳。这种微妙的大气层 —— 技术上被称为“外逸层” —— 很可能是某种太空风化的产物。但这些过程究竟是什么一直很难确定。

​现在，麻省理工学院和芝加哥大学的科学家们表示，他们已经确定了形成月球大气层并继续维持它的主要过程。在今天发表在《科学进展》上的一项研究中，该团队报告说，月球大气主要是“撞击汽化”的产物。

​在他们的研究中，研究人员分析了美国宇航局阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。他们的分析表明，在月球45亿年的历史中，它的表面不断受到撞击，首先是巨大的陨石，然后是最近更小的、尘埃大小的“微流星体”。这些持续的撞击使月球土壤隆起，使某些原子在接触时蒸发，并将颗粒抛入空气中。一些原子被喷射到太空中，而另一些原子则悬浮在月球上空，形成稀薄的大气层，随着陨石不断撞击月球表面，大气层不断得到补充。

​研究人员发现，撞击汽化是月球产生并维持其极薄大气层数十亿年的主要过程。

​该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系助理教授妮可·聂说：“我们给出了一个明确的答案，即陨石撞击蒸发是创造月球大气的主要过程。月球已有近45亿年的历史，在这段时间里，月球表面不断受到陨石的撞击。我们的研究表明，稀薄的大气层最终会达到稳定的状态，因为月球上的小撞击会不断地补充它。”

​聂的合著者是芝加哥大学的Nicolas Dauphas、张哲和Timo Hopp，以及美国宇航局戈达德太空飞行中心的Menelaos Sarantos。

​风化作用的角色

​2013年，美国国家航空航天局（NASA）发射了一个绕月轨道飞行器，进行了一些详细的大气侦察。月球大气和尘埃环境探测器（LADEE）的任务是远程收集有关月球稀薄大气、表面状况以及任何环境对月球尘埃的影响的信息。

​LADEE的任务是确定月球大气的起源。科学家们希望探测器对土壤和大气成分的远程测量可能与某些太空风化过程有关，从而解释月球大气是如何形成的。

​研究人员怀疑，两种太空风化过程在形成月球大气中起着作用：撞击汽化和“离子溅射” —— 一种与太阳风有关的现象，它从太阳携带高能带电粒子穿过太空。当这些粒子撞击月球表面时，它们可以将能量传递给土壤中的原子，并将这些原子溅射并飞入空气中。

​“根据LADEE的数据，似乎这两个过程都在起作用，”妮可·聂说。“例如，它表明，在陨石阵雨期间，你会在大气中看到更多的原子，这意味着撞击会产生影响。但它也表明，当月球被太阳遮挡时，比如在日食期间，大气中的原子也会发生变化，这意味着太阳也会产生影响。因此，结果并不明确或量化。”

​土壤中的答案

​为了更精确地确定月球大气的起源，妮可·聂研究了美国宇航局阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。她和她在芝加哥大学的同事们获得了10个月球土壤样本，每个样本的含量约为100毫克 —— 她估计这是一个雨滴所能容纳的微小量。

妮可·聂首先从每个样品中分离出两种元素：钾和铷。这两种元素都是“易挥发的”，这意味着它们很容易被撞击和离子溅射蒸发。每种元素都以几种同位素的形式存在。同位素是同一元素的变体，由相同数量的质子组成，但中子数量略有不同。例如，钾可以作为三种同位素中的一种存在，每一种都多一个中子，并且比最后一种稍微重一点。同样，铷也有两种同位素。

​研究小组推断，如果月球的大气是由已经蒸发并悬浮在空气中的原子组成的，那么这些原子的较轻的同位素应该更容易被释放出来，而较重的同位素则更有可能回到土壤中。此外，科学家预测撞击汽化和离子溅射会导致土壤中同位素比例的大不相同。土壤中钾和铷的轻、重同位素的特定比例将揭示月球大气起源的主要过程。

​带着这样的想法，妮可·聂分析了阿波罗号的样品，首先将土壤粉碎成细粉末，然后将粉末溶解在酸中，以净化和分离含有钾和铷的溶液。然后，她将这些溶液通过质谱仪来测量每个样品中钾和铷的各种同位素。

​最后，研究小组发现，土壤中主要含有钾和铷的重同位素。研究人员能够量化钾和铷的重同位素与轻同位素的比例，通过比较这两种元素，他们发现撞击汽化很可能是原子汽化和释放形成月球大气的主要过程。

​“通过撞击汽化，大多数原子将留在月球大气中，而通过离子溅射，许多原子将被喷射到太空中，”妮可·聂说。“从我们的研究中，我们现在可以量化这两个过程的作用，可以说撞击汽化与离子溅射的相对贡献约为70:30或更大。”换句话说，月球大气的70%或更多是陨石撞击的产物，而剩下的30%是太阳风的结果。

​剑桥大学研究月球土壤的博士后贾斯汀·胡（Justin Hu）没有参与这项研究，他说：“由于将钾和铷同位素测量与仔细的定量建模相结合的创新理念，发现了如此微妙的影响是非凡的。这一发现超越了对月球历史的理解，因为这样的过程可能会发生，并且可能在其他卫星和小行星上更为重要，这是许多计划返回任务的重点。”

​“如果没有这些阿波罗号的样本，我们将无法获得精确的数据和定量测量，从而更详细地了解事情，”聂说。“从月球和其他行星带回样本对我们来说很重要，这样我们就可以更清晰地描绘太阳系的形成和演化。”

​这项工作得到了NASA和美国国家科学基金会的部分支持。

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