嫦娥四號(hào)在月球背面發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石撞擊殘留物

楊亞洲，劉 洋

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京100191

月球是地—月系統(tǒng)乃至整個(gè)太陽(yáng)系演化歷史的記錄者，自形成之時(shí)起其表面就遭受了來(lái)自不同類型小天體的持續(xù)撞擊. 相比于其他類地天體，月球獨(dú)特的空間環(huán)境有利于保存更長(zhǎng)時(shí)間尺度及更完整的撞擊記錄. 通過(guò)剖析月表不同時(shí)期的撞擊通量及各類小天體的貢獻(xiàn)比例，可以獲取諸多關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的答案或線索. 例如：碳質(zhì)小行星是小天體中比較富含水及揮發(fā)分的，那么是否在某個(gè)時(shí)期曾發(fā)生過(guò)大量的碳質(zhì)天體撞擊事件，從而給地—月系統(tǒng)帶來(lái)水？另外過(guò)去太陽(yáng)系內(nèi)各類小天體的空間分布是怎樣的，又是如何演化到如今這種分布模式的？

通常越古老的月表單元上撞擊坑的分布密度也越大（圖1a），撞擊坑的分布密度與地質(zhì)單元的形成年齡具有一定的正相關(guān)關(guān)系. 阿波羅時(shí)期的采樣任務(wù)使我們可以同時(shí)獲取采樣區(qū)域的絕對(duì)年齡與撞擊坑分布密度，這樣就可以建立起撞擊坑年代學(xué)模型（圖1b），然后再對(duì)月表其他區(qū)域的撞擊坑分布密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)就可以得到各個(gè)區(qū)域的年齡了.之前阿波羅任務(wù)返回的樣品年齡大多在30億年以上，在構(gòu)建撞擊坑年代學(xué)模型時(shí)實(shí)際存在一個(gè)近20億年的缺口. 嫦娥五號(hào)返回了迄今最為年輕的月球樣品，大概年齡為20億年，從而為年代學(xué)模型提供了非常重要的校準(zhǔn)點(diǎn). 對(duì)年代學(xué)曲線作進(jìn)一步分析，我們還可以獲得撞擊通量隨時(shí)間的變化曲線（圖1c）. 雖然有了大概的撞擊通量的演變模型，但是關(guān)于不同時(shí)期各類撞擊體的貢獻(xiàn)比例相關(guān)的信息卻是比較匱乏的（圖1d）.

圖1 月表撞擊通量與撞擊體類型演變示意圖. （a）月表著陸與采樣探測(cè)點(diǎn)分布示意圖；（b）撞擊坑年代學(xué)曲線示意圖；（c）撞擊通量隨時(shí)間的演變規(guī)律示意圖，虛線部分表示可能存在的晚期大轟擊事件；（d）不同類型撞擊體貢獻(xiàn)比例示意圖，不同時(shí)期各類小天體對(duì)月表撞擊體的貢獻(xiàn)比例相關(guān)的信息是比較缺乏的Fig. 1 Schematic diagram of the evolution of lunar surface impact flux and impactor types. (a) The distribution of landing and sampling sites on the lunar nearside. (b) Schematic diagram of the lunar impact chronological model. (c) Schematic diagram of the impact flux versus time, the dashed part indicates the possible late heavy bombardment event. (d) Information about the contributions of different types of impactors during different periods is relative lacking

要弄清楚月表撞擊體類型隨時(shí)間的演變規(guī)律，就需要尋找大量的撞擊體殘留物，并鑒別其類型與形成時(shí)間. 撞擊體殘留物作為撞擊事件最直接的證據(jù)，是外來(lái)撞擊物質(zhì)的關(guān)鍵信息載體. 而尋找撞擊殘留物主要有三種途徑：（1）對(duì)返回的樣品進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)疑似殘留物進(jìn)行主微量元素及同位素等分析，可以比較準(zhǔn)確地鑒別撞擊體母天體類型.但是返回樣品比較稀少，相關(guān)的研究報(bào)道比較有限，嫦娥五號(hào)返回的新樣品為撞擊體殘留物分析及撞擊體類型演變研究提供了非常重要的新樣本；（2）通過(guò)軌道觀測(cè)，這種方式可以對(duì)月表進(jìn)行大范圍的搜尋，但是目前的軌道數(shù)據(jù)空間分辨率相對(duì)比較低，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別；（3）進(jìn)行就位探測(cè)，目前只有我國(guó)的嫦娥四號(hào)任務(wù)搭載的玉兔二號(hào)月球車還在持續(xù)開展探測(cè)中.

嫦娥四號(hào)探測(cè)器于2019年1月成功著陸于月球背面南極—艾肯盆地的馮·卡門撞擊坑中，其搭載的玉兔二號(hào)月球車隨后對(duì)月表開展了持續(xù)的巡視探測(cè). 玉兔二號(hào)上裝備的全景相機(jī)和可見—近紅外成像光譜儀可以獲取超高分辨率的月表影像與高光譜數(shù)據(jù)（＜ 1 mm/pixel）. 在月表巡視的過(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月晝時(shí)對(duì)該撞擊坑進(jìn)行了詳細(xì)的光譜探測(cè). 基于全景相機(jī)近距離獲取的撞擊坑影像，Yang等（2021）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). 對(duì)成像光譜儀獲取的高光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行的詳細(xì)分析表明，撞擊坑中心的疑似殘留物與坑內(nèi)及坑外的典型月壤、巖石碎塊的光譜具有明顯不同的特征. 通常情況下，月表巖石或月壤的反射光譜會(huì)呈現(xiàn)出“紅化”的特征（即反射率隨著波長(zhǎng)的增加而增加，表現(xiàn)為光譜曲線整體呈現(xiàn)正斜率），并且月表發(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. 而撞擊坑中心的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，光譜曲線整體呈現(xiàn)負(fù)斜率）. 因此，可能存在某種具有藍(lán)化光譜特征的外來(lái)撞擊體物質(zhì)混入了其中. 在小行星中，只有碳質(zhì)小行星的光譜存在藍(lán)化特征. 通過(guò)對(duì)搜集來(lái)的大量碳質(zhì)球粒隕石光譜進(jìn)行仔細(xì)對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)該殘留物確實(shí)與碳質(zhì)隕石光譜具有很高的相似度. 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)到47 wt.%以上.

基于玉兔二號(hào)全景相機(jī)獲取的立體影像對(duì)，Yang等（2021）利用攝影測(cè)量方法構(gòu)建了覆蓋撞擊坑及附近區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型. 通過(guò)對(duì)撞擊坑四個(gè)不同方向的高程剖面分析顯示，當(dāng)包含中心凹陷時(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，表明該撞擊坑可能屬于一次撞擊坑，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，盡管二次撞擊坑的可能性也無(wú)法完全排除掉. 為了進(jìn)一步對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行限定，Yang等（2021）還利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該撞擊坑的形成過(guò)程進(jìn)行了模擬研究. 結(jié)果顯示，一個(gè)直徑15 cm的疏松撞擊體以15 km/s的速度（月表典型撞擊體的速度）撞擊月表，可形成上述觀測(cè)到的小撞擊坑形貌特征，并有殘留物分布于撞擊坑中心. 上述分析結(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)小行星是小天體中相對(duì)比較富含水及揮發(fā)分的一類，在撞擊過(guò)程中其攜帶的水可能有部分得以保留在月表. 前人通過(guò)在地面進(jìn)行的高速撞擊模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，撞擊體中可能有高達(dá)30 wt.%的水得以保留在撞擊熔體或殘留物中. 基于撞擊坑退化模型的估算，玉兔二號(hào)發(fā)現(xiàn)的這個(gè)小撞擊坑應(yīng)該形成于距今一百萬(wàn)年以內(nèi). 這一對(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)返回的相對(duì)年輕的月球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，將可以進(jìn)一步擴(kuò)充撞擊體類型演變研究樣本. 另外，將來(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區(qū)域發(fā)現(xiàn)類似的撞擊殘留物分布，從而進(jìn)一步完善對(duì)于月表撞擊體類型隨時(shí)間演變的研究.