科学家确定月球稀薄大气的来源

虽然月球上没有任何可供呼吸的空气，但它确实拥有几乎难以察觉的大气层。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稀薄的原子层在跳跃。这种精致的大气层——技术上被称为“外逸层”——很可能是某种空间风化的产物。但具体是哪些过程却很难确定。

现在，麻省理工学院和芝加哥大学的科学家表示，他们已经确定了形成月球大气层并持续至今的主要过程。在《科学进展》杂志今天发表的一项研究中，该团队报告称，月球大气层主要是“撞击汽化”的产物。

在这项研究中，研究人员分析了宇航员在NASA阿波罗任务期间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，其表面一直被不断撞击，最初是被巨大的陨石撞击，最近则是被更小的、尘埃大小的“微陨石”撞击。这些持续的撞击激起了月球土壤，使某些原子在接触时汽化并将粒子抛向空中。一些原子被射入太空，而另一些则悬浮在月球上空，形成了一个脆弱的大气层，随着陨石继续撞击表面而不断得到补充。

研究人员发现，撞击汽化是月球数十亿年来形成并维持其极薄大气层的主要过程。

“我们给出了一个明确的答案，即陨石撞击汽化是创造月球大气层的主要过程，”该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系的助理教授妮可·妮（Nicole Nie）说。“月球接近45亿岁，在此期间，其表面一直被陨石不断撞击。我们表明，最终，稀薄的大气层会达到稳定状态，因为它一直在被月球上所有的小撞击不断补充。”

妮的合著者包括芝加哥大学的尼古拉斯·道法斯（Nicolas Dauphas）、张哲（Zhe Zhang）和蒂莫·霍普（Timo Hopp），以及NASA戈达德太空飞行中心的梅内劳斯·萨兰托斯（Menelaos Sarantos）。

风化的作用

2013年，NASA向月球发射了一个轨道飞行器，以进行一些详细的大气侦察。月球大气和尘埃环境探测器（LADEE，发音为“拉迪”）的任务是远程收集关于月球稀薄大气层、表面状况以及月球尘埃上任何环境影响的信息。

LADEE的任务是确定月球大气层的起源。科学家们希望，该探测器对土壤和大气成分的远程测量可能与某些空间风化过程相关，这些过程可以解释月球大气层的形成。

研究人员怀疑，两种空间风化过程在塑造月球大气层中发挥作用：撞击汽化和“离子溅射”——一种涉及太阳风的现象，太阳风将来自太阳的带电粒子通过太空携带。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抛向空中。

“根据LADEE的数据，这两种过程似乎都在发挥作用，”妮说。“例如，它表明在陨石雨中，你在大气中会看到更多的原子，这意味着撞击产生了影响。但它还表明，当月球被太阳遮蔽时，比如在日食期间，大气中的原子也会发生变化，这意味着太阳也产生了影响。因此，结果并不明确或定量。”

土壤中的答案

为了更准确地确定月球大气层的起源，妮研究了NASA阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。她和芝加哥大学的同事获得了10个月球土壤样本，每个样本重约100毫克——她估计这么小的量可以装进一滴雨水中。

妮试图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”的，意味着它们很容易在撞击和离子溅射中汽化。每种元素都以几种同位素的形式存在。同位素是同一种元素的不同变体，具有相同数量的质子但中子数量略有不同。例如，钾可以以三种同位素的形式存在，每一种都多一个中子，且比前一种稍重。同样，铷也有两种同位素。

研究团队推断，如果月球的大气层由已经蒸发并悬浮在空气中的原子构成，那么这些原子的较轻同位素应该更容易被提升，而较重的同位素则更有可能沉降回土壤中。此外，科学家们预测，撞击蒸发和离子溅射应会导致土壤中出现截然不同的同位素比例。那么，土壤中剩余钾和铷的轻同位素与重同位素的具体比例应该能够揭示月球大气层起源的主要过程。

考虑到上述所有因素，聂（Nie）首先对阿波罗样品进行了分析，她首先将土壤粉碎成细粉，然后将粉末溶解在酸中以纯化和分离含有钾和铷的溶液。之后，她将这些溶液通过质谱仪以测量每个样品中钾和铷的各种同位素。

最终，研究团队发现土壤主要包含钾和铷的重同位素。研究人员能够量化钾和铷的重同位素与轻同位素的比例，并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并上升以形成月球大气层的主要过程。

“通过撞击蒸发，大多数原子会留在月球大气层中，而通过离子溅射，则会有大量原子被喷射到太空中，”聂（Nie）说。“根据我们的研究，我们现在可以量化这两个过程的作用，可以说撞击蒸发与离子溅射的相对贡献约为70:30或更大。”换句话说，月球大气层的70%或更多是由陨石撞击产生的，而剩余的30%则是太阳风造成的。

“如此微妙效应的发现是了不起的，这要归功于将钾和铷同位素测量与仔细、定量的建模相结合的创新思想，”剑桥大学研究月球土壤的博士后贾斯汀·胡（Justin Hu）表示，他并未参与这项研究。“这一发现不仅加深了我们对月球历史的了解，因为此类过程可能发生在其他月球和小行星上，并且可能更加显著，而这些月球和小行星是许多计划中的返回任务的重点。”

“如果没有这些阿波罗样品，我们就无法获得精确的数据并进行定量测量以更详细地了解事物，”聂（Nie）说。“从月球和其他行星体上带回样本对我们来说很重要，这样我们才能更清楚地了解太阳系的形成和演化。”

这项工作部分得到了美国国家航空航天局（NASA）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持。