空间中心等在月球背面发现“天外来客”

刘洋团队的发现表明，富含挥发分的碳质小行星的撞击或仍为现在的月球提供水源。同时，研究显示，比较年轻的月表物质（如“嫦娥五号”返回样品）中存在撞击体残留物的可能性。而对这些可能存在于“嫦娥五号”样品中撞击体残留物的直接分析，将对地月系统撞击体成分和类型的演变历史提供重要参考，并有望对太阳系轨道动力学演化进行进一步约束，增进关于内太阳系撞击历史的了解。近日，相关研究成果发表在Nature Astronomy（《自然-天文》）上。

“嫦娥四号”探测器于2019年1月成功着陆于月球背面南极-艾肯盆地的冯·卡门撞击坑中，其搭载的“玉兔二号”巡视器随后对月表开展了持续的巡视探测。“玉兔二号”装备的全景相机和可见-近红外成像光谱仪，可以获取超高分辨率的月表影像与高光谱数据（< 1 mm/pixel）。在月表巡视的过程中，“玉兔二号”发现了一个小的新鲜撞击坑，并在第10月昼的时候对这个撞击坑进行详细的光谱探测（图1）。基于全景相机近距离获取的撞击坑影像，刘洋团队发现撞击坑中心存在一些与坑壁及坑外月壤明显不同的物质（图1b）。研究对成像光谱仪获取的高光谱影像数据分析发现，撞击坑中心的疑似“残留物”与坑内及坑外的典型月壤、岩石碎块的光谱呈现明显不同的特征（图1c）。通常情况下，月表岩石或月壤的反射光谱会呈现出“红化”的特征（即反射率随着波长的增加而增加，表现在光谱曲线整体呈现正斜率），且月表发生的太空风化作用一般会进一步加剧这种红化特征。而撞击坑中心疑似残留物的光谱却呈现出“蓝化”的特征（即反射率随着波长增加而减小，光谱曲线整体呈现负斜率）。由此，刘洋团队推测，或存在某种具有蓝化光谱特征的外来撞击体物质混入其中。小行星中，只有碳质小行星的光谱存在蓝化特征。研究搜集了大量碳质球粒陨石的光谱，经过仔细对比后发现，该残留物确实与碳质陨石光谱具有很高的相似度（图2）。基于辐射传输模型的光谱定量反演结果显示，该残留物中碳质陨石组分占比达40 wt.%以上。

为了进一步确认上述分析结果，刘洋团队对该撞击坑进行了详尽的形貌分析（图3）。基于“玉兔二号”全景相机获取的立体影像对，科研人员采用摄影测量方法，构建了覆盖该小撞击坑及附近区域的高精度数字高程模型（DEM）。研究对四个不同方向的高程剖面分析显示，当包含中央凹陷时该撞击坑的深度-直径比值在1:5左右，去除中央凹陷后的深度-直径比值在1:10左右。这比该区域的二次撞击坑的深度-直径比（1:17左右）要高很多，表明该撞击坑应该属于一次撞击坑，而非原始撞击产生的溅射体再次撞击月表形成的二次撞击坑。为了进一步对上述研究结果进行限定，刘洋团队利用数值模拟技术对该撞击坑开展研究。结果显示，一个直径15 cm的疏松撞击体以15 km/s的速度（月表的典型撞击体速度）撞击月表可以形成上述观测到的小撞击坑形貌特征，并有残留物分布于撞击坑中心。分析结果表明，该撞击坑可能是一个小型碳质陨石撞击后形成。

撞击输运过程被认为是月球表面水及永久阴影区水冰的主要贡献者之一，而碳质小行星是小天体中相对比较富含水及挥发分的一类（图4），在撞击过程中其携带的水可能有部分得以保留在月表。此前在地面进行的高速撞击模拟实验研究发现，撞击体中可能有达30 wt.%的水得以保留在撞击熔体或残留物中。基于撞击坑退化模型，刘洋团队对该撞击坑的形成年龄进行估算，结果表明该撞击坑应该形成于距今一百万年以内。这对碳质撞击残留物的直接观测结果表明，相似的碳质陨石残留物可能在月表非常普遍，在“嫦娥五号”从月表一个相对年轻的玄武岩单元里采集返回的样品中将有很大概率发现类似的撞击残留物。届时，结合主微量元素与同位素年代学分析，将可以对撞击体成分与类型演变进行更好的限定。未来，利用更高空间分辨率的遥测光谱数据，将有可能在月表更多地方发现类似的撞击残留物分布，从而进一步加深对月球水的来源与分布的认识。

美国夏威夷大学、澳门科技大学、北京大学和香港理工大学等的科研人员参与该研究。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、民用航天领域预先研究及中国博士后科学基金会特别资助等的支持。

论文链接

图1.“玉兔二号”对巡视路径上“偶遇”的一个小型新鲜撞击坑进行详细的光谱探测。a、“玉兔二号”搭载的全景相机获取的影像拼接而成的全景图，可以看到撞击坑与着陆器的相对位置；b、全景相机近距离拍摄的小撞击坑全貌，该图为假彩色图，撞击坑中心呈现的黄绿色部分为可能的撞击体残留物，白框指示的是进行成像光谱观测的区域；c、从成像光谱观测区域中提取的典型“残留物”、月壤、岩石碎块的反射光谱；d、成像光谱仪获取的观测区域影像。（Yang et al., 2021 Nature Astronomy）

图2.撞击残留物光谱与“阿波罗”月球玻璃及碳质球粒陨石光谱的对比。（Yang et al., 2021 Nature Astronomy）

图3.目标撞击坑的数字高程模型（DEM）及基于iSALE的数值撞击模拟结果。a、利用全景相机获取的立体影像对构建的撞击坑DEM；b、该撞击坑在四个不同方向的高程剖面；c、基于iSALE的撞击坑数值模拟结果，很好地重复了观测到的撞击坑剖面形貌及残留物分布特点。（Yang et al., 2021 Nature Astronomy）

图4.月球水的可能来源（图片源自：LPI/David A. Kring）