國(guó)家空間科學(xué)中心基于“嫦娥四號(hào)”獲取的具有超高空間分辨率的影像與光譜數(shù)據(jù)，首次在月表原位識(shí)別出年齡在1個(gè)百萬(wàn)年以內(nèi)的碳質(zhì)球粒隕石撞擊體殘留物。

月球自形成以來(lái)就經(jīng)歷了強(qiáng)烈的轟擊歷史。一些撞擊物的碎片留在月球表面，能提供地月系統(tǒng)中撞擊物成分和撞擊物種群演變的證據(jù)。

此項(xiàng)研究中，國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)劉洋研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)告了由“玉兔二號(hào)”獲得的1個(gè)百萬(wàn)年以內(nèi)形成的2米大小的隕石坑的觀測(cè)結(jié)果。高光譜圖像突出顯示了具有高濃度 (47%) 碳質(zhì)球粒隕石材料的存在。研究者認(rèn)為這是原始撞擊的殘留物，它沒有被撞擊完全蒸發(fā)。他們還認(rèn)為，碳質(zhì)球粒隕石可能仍是目前月球的水源之一。

此外，研究顯示，比較年輕的月表物質(zhì)（如“嫦娥五號(hào)”返回樣品）中存在撞擊體殘留物的可能性。

圖一

相關(guān)論文于當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月25日發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《自然-天文》上，論文標(biāo)題為“Impact remnants rich in carbonaceous chondrites detected on the Moon by the Chang’e-4 rover”。

先前，已有研究在“阿波羅樣品”中發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)球粒隕石碎片，不過(guò)，人們從未在月球表面通過(guò)遙感探測(cè)直接觀測(cè)到碳質(zhì)球粒隕石的撞擊殘留物。

2019年1月，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器成功著陸于月球背面南極-艾肯盆地的馮·卡門撞擊坑中，隨后，其搭載的“玉兔二號(hào)”巡視器在月球表面進(jìn)行持續(xù)巡視?！坝裢枚?hào)”的全景相機(jī)和可見-近紅外成像光譜儀能夠獲取超高分辨率的月表影像與高光譜數(shù)據(jù)（< 1 mm/pixel）。

巡視過(guò)程中，“玉兔二號(hào)”發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小的新鮮撞擊坑，并在第9月晝的時(shí)候?qū)@個(gè)撞擊坑進(jìn)行詳細(xì)的光譜探測(cè)（圖1）。

劉洋團(tuán)隊(duì)根據(jù)全景相機(jī)近距離獲取的撞擊坑影像，發(fā)現(xiàn)撞擊坑中心存在一些與坑壁及坑外月壤明顯不同的物質(zhì)（圖1b）。他們利用高光譜影像數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)撞擊坑中心的疑似“殘留物”與坑內(nèi)及坑外的典型月壤、巖石碎塊的光譜呈現(xiàn)明顯不同（圖1c）。

通常，月表巖石或月壤的反射光譜會(huì)呈現(xiàn)“紅化”特征，即反射率隨著波長(zhǎng)的增加而增加。而且，月表發(fā)生的太空風(fēng)化作用一般會(huì)進(jìn)一步加劇這種紅化特征。然而，撞擊坑中心疑似殘留物的光譜卻呈現(xiàn)出“藍(lán)化”的特征，即反射率隨著波長(zhǎng)增加而減小。

圖二 撞擊殘留物光譜與“阿波羅”月球玻璃及碳質(zhì)球粒隕石光譜的對(duì)比

因此，劉洋團(tuán)隊(duì)推測(cè)，可能有某種具有藍(lán)化光譜特征的外來(lái)撞擊體物質(zhì)混入其中。他們搜集了大量碳質(zhì)球粒隕石（小行星中只有碳質(zhì)小行星的光譜存在藍(lán)化特征）的光譜，將光譜仔細(xì)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，撞擊坑殘留物與碳質(zhì)隕石光譜很相似（圖2）。基于輻射傳輸模型的光譜定量反演結(jié)果顯示，該殘留物中碳質(zhì)隕石組分占比達(dá)40wt.%以上。

劉洋團(tuán)隊(duì)還對(duì)該撞擊坑進(jìn)行了詳盡的形貌分析以進(jìn)一步確認(rèn)結(jié)果。

基于“玉兔二號(hào)”獲取的立體影像對(duì)，他們采用攝影測(cè)量方法，構(gòu)建了覆蓋該小撞擊坑及附近區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型（DEM）。對(duì)四個(gè)不同方向的高程剖面分析顯示，當(dāng)包含中央凹陷時(shí)該撞擊坑的深度-直徑比值在1:5左右，去除中央凹陷后的深度-直徑比值在1:10左右。這比該區(qū)域的二次撞擊坑的深度-直徑比（1:17左右）要高很多。這表明該撞擊坑應(yīng)該屬于一次撞擊坑，而非原始撞擊產(chǎn)生的濺射體再次撞擊月表形成的二次撞擊坑。

為了進(jìn)一步對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行限定，劉洋團(tuán)隊(duì)利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該撞擊坑開展研究。

結(jié)果顯示，一個(gè)直徑15cm的疏松撞擊體以15km/s的速度（月表的典型撞擊體速度）撞擊月表可以形成上述觀測(cè)到的小撞擊坑形貌特征，并有殘留物分布于撞擊坑中心。分析結(jié)果表明，該撞擊坑可能是一個(gè)小型碳質(zhì)隕石撞擊后形成。

撞擊輸運(yùn)過(guò)程被認(rèn)為是月球表面水及永久陰影區(qū)水冰的主要貢獻(xiàn)者之一，而碳質(zhì)小行星比較富含水，因此，小天體在撞擊過(guò)程中攜帶的水可能有部分保留在了月表。

此前在地面進(jìn)行的高速撞擊模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，撞擊體中可能有達(dá)30wt.%的水得以保留在撞擊熔體或殘留物中。

劉洋團(tuán)隊(duì)基于撞擊坑退化模型對(duì)該撞擊坑的形成年齡進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)該撞擊坑應(yīng)該形成于距今一百萬(wàn)年以內(nèi)。對(duì)碳質(zhì)撞擊殘留物的直接觀測(cè)結(jié)果表明，相似的碳質(zhì)隕石殘留物可能在月表非常普遍，在“嫦娥五號(hào)”從月表一個(gè)相對(duì)年輕的玄武巖單元里采集返回的樣品中將有很大概率發(fā)現(xiàn)類似的撞擊殘留物。

屆時(shí)，結(jié)合主微量元素與同位素年代學(xué)分析，將可以對(duì)撞擊體成分與類型演變進(jìn)行更好的限定。未來(lái)，利用更高空間分辨率的遙測(cè)光譜數(shù)據(jù)，將有可能在月表更多地方發(fā)現(xiàn)類似的撞擊殘留物分布，從而進(jìn)一步加深對(duì)月球水的來(lái)源與分布的認(rèn)識(shí)?！　　　?/p>

美國(guó)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)等的科研人員參與該研究。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、民用航天領(lǐng)域預(yù)先研究及中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)特別資助等的支持。