科学家确定月球稀薄大气的起源

Josiah01

　　虽然月球上没有任何可供呼吸的空气，但它却拥有一层几乎不存在的大气层。自 20 世纪 80 年代以来，天文学家就观察到了一层非常薄的原子层在月球表面跳跃。这种脆弱的大气层——技术上称为“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表示，他们已经确定了月球大气形成的主要过程，并持续至今。在《科学进展》杂志发表的一项研究中，研究小组报告称，月球大气主要是“撞击蒸发”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，其表面一直受到轰击，首先是巨大的陨石，然后是最近较小的、尘埃大小的“微流星体”。
　　这些持续不断的撞击掀起了月球土壤，接触到的某些原子蒸发，并将颗粒抛向空中。一些原子被喷射到太空，而另一些则悬浮在月球上空，形成一层稀薄的大气层，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，撞击汽化是月球数十亿年来产生和维持极稀薄大气层的主要过程。
　　“我们给出了明确的答案，陨石撞击蒸发是形成月球大气的主要过程，”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 (Nicole Nie) 说。
　　“月球已有近 45 亿年的历史，在此期间，其表面不断受到陨石的轰击。我们发现，稀薄的大气层最终会达到稳定状态，因为它会不断得到整个月球上小撞击的补充。”
　　聂志军的合著者包括芝加哥大学的 Nicolas Dauphas、Zhe Zhang 和 Timo Hopp，以及美国宇航局戈达德太空飞行中心的 Menelaos Sarantos。
　　风化的作用
　　2013 年，NASA 发射了一颗绕月轨道飞行器，对月球大气进行详细侦察。月球大气与尘埃环境探测器（LADEE，发音为“laddie”）的任务是远程收集有关月球稀薄大气、表面状况以及环境对月球尘埃的影响的信息。
　　LADEE 的任务旨在确定月球大气的起源。科学家希望探测器对土壤和大气成分的远程测量结果可能与某些太空风化过程相关，从而解释月球大气的形成过程。
　　研究人员怀疑，两种太空风化过程在塑造月球大气方面发挥了作用：撞击蒸发和“离子溅射”——一种涉及太阳风的现象，太阳风携带来自太阳的高能带电粒子穿越太空。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，并使这些原子溅射并飞入空中。
　　聂志军表示：“根据 LADEE 的数据，似乎这两个过程都在发挥作用。”
　　“例如，研究显示，在陨石雨期间，大气中会出现更多原子，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，例如在日食期间，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
　　为了更准确地确定月球大气的来源，聂研究了宇航员在 NASA 阿波罗任务期间收集的月球土壤样本。她和芝加哥大学的同事们获得了 10 个月球土壤样本，每个样本重约 100 毫克——她估计这个量很小，一滴雨滴就能容纳得下。
　　聂志军首先从每个样本中分离出两种元素：钾和铷。这两种元素都是“挥发性”元素，也就是说，它们很容易因撞击和离子溅射而蒸发。
　　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，钾可以以三种同位素中的一种形式存在，每种同位素都比上一种多一个中子，而且重量略重。同样，铷也有两种同位素。
　　研究小组推断，如果月球大气层是由蒸发并悬浮在空气中的原子组成，那么这些原子中较轻的同位素应该更容易被升空，而较重的同位素则更有可能沉淀回土壤中。
　　此外，科学家预测，撞击蒸发和离子溅射将导致土壤中同位素比例大不相同。土壤中残留的轻同位素（钾和铷）的具体比例将揭示月球大气起源的主要过程。
　　考虑到所有这些，聂分析了阿波罗样本，首先将土壤碾碎成细粉，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，测量每个样本中钾和铷的各种同位素。
　　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，他们发现撞击蒸发很可能是原子蒸发和升空形成月球大气层的主要过程。
　　聂志军说：“撞击蒸发会导致大多数原子留在月球大气层中，而离子溅射会导致大量原子被喷射到太空中。”
　　“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% 则是太阳风的结果。
　　剑桥大学研究月球土壤的博士后贾斯汀·胡 (Justin Hu) 表示：“发现如此微妙的效应非常了不起，这要归功于将钾和铷同位素测量与仔细的定量建模相结合的创新想法。”他没有参与这项研究。
　　“这一发现超越了对月球历史的了解，因为这样的过程也可能发生，而且可能在其他卫星和小行星上更为重要，而这些卫星和小行星是许多计划返回任务的重点。”
　　“如果没有这些阿波罗样本，我们就无法获得精确的数据和定量测量，从而更详细地了解事物，”聂说。“对我们来说，从月球和其他行星带回样本很重要，这样我们才能更清楚地描绘出太阳系的形成和演化。”