嫦娥六號樣品新成果：月球正面和背面的空間環(huán)境差異

近日，中國科學院廣州地球化學研究所月球樣品研究團隊在《國家科學評論》發(fā)表研究論文，該團隊從嫦娥六號任務返回的月球背面樣品中發(fā)現(xiàn)了月球正背面的太空風化差異，為月球空間環(huán)境的二分性提供了基于樣品的證據(jù)。

嫦娥六號樣品主要礦物的二次電子（SE）圖像（黃色矩形表示進行FIB制樣的位置）

一 缺失的氣相沉積層

月球和其他無大氣天體由于沒有大氣層保護，表面直接暴露在太空環(huán)境中，會受到太陽風、微隕石撞擊等各種因素的影響，這種長期的“風吹雨打”就是太空風化。研究團隊通過聚焦離子束（FIB）制樣技術(shù)和高分辨透射電鏡分析發(fā)現(xiàn)，月球背面樣品中缺乏月球正面樣品及小行星Itokawa樣品中普遍存在的氣相沉積層。這種氣相沉積層通常由微隕石撞擊引發(fā)的高溫氣化物質(zhì)沉積形成，是微隕石作用的重要標志。在月球正面樣品中氣相沉積層很常見，并且成分與基底礦物不同。然而，研究團隊在嫦娥六號返回的樣品中并未發(fā)現(xiàn)這種沉積層，這表明月球背面的太空風化過程與月球正面存在明顯不同。

嫦娥六號樣品與月球正面和Itokawa樣品的太空風化邊緣對比圖。(a)月球正面和Itokawa樣品的太空風化特征示意圖。(b)嫦娥六號樣品的太空風化特征示意圖。

二 更強的太陽風輻射影響

研究團隊進一步測量了礦物的非晶層厚度和npFe?粒徑，并統(tǒng)計了輝石和橄欖石中的太陽風軌跡，以估算顆粒的太陽風暴露時間。結(jié)果表明嫦娥六號樣品的太陽風暴露時間接近Apollo 11號樣品的最小值，低于其他Apollo樣品，略小于嫦娥五號樣品。然而，令人意外的是，嫦娥六號樣品中的npFe?粒徑反而更大，這意味著太陽風輻射在該區(qū)域?qū)е妈F元素的分離和聚集更為顯著。這些現(xiàn)象表明月球背面的太陽風輻射作用更為強烈，可以在較短的時間內(nèi)對月球表面礦物產(chǎn)生顯著的改造作用。

三 太陽風輻射和微隕石撞擊的相對貢獻

太陽風輻射和微隕石撞擊是太空風化的兩個最主要的驅(qū)動因素，但前人的研究表明太陽風的有效濺射速率和微隕石撞擊產(chǎn)生的氣相沉積會相互抵消。因此，在討論太空風化機制時，必須考量不同空間環(huán)境下二者的相對貢獻。嫦娥六號樣品的研究結(jié)果表明，與之前通過阿波羅樣品和嫦娥五號樣品的認識不同，太陽風輻射在月球背面的太空風化過程中的貢獻超過了微隕石撞擊，占據(jù)了主導地位。

四 空間環(huán)境驅(qū)動的太空風化差異

嫦娥六號樣品與月球正面樣品在太空風化特征上的差異，提醒我們在研究太空風化時要充分考慮不同空間環(huán)境下太陽風和微隕石撞擊的相對作用。月球不同區(qū)域受到的太陽風影響存在差異：月球正面在每個朔望月周期都會進入地球磁尾，地球磁場的保護導致月球正面暴露于太陽風的時間減少；而月球背面始終處于太陽風直接輻射之下。此外，由于軌道動力學效應，月球不同位置受到來自彗星和小行星隕石的撞擊速度不同。月球表面與隕石撞擊的相對速度隨著月相的變化而變化：在滿月期間，月球和隕石在相同的軌道方向上運動，相對速度增加；新月期間相反。嫦娥六號樣品的研究結(jié)果表明，在月球背面，太陽風的影響超越了微隕石撞擊，進一步證明了太空風化過程受空間環(huán)境變化的調(diào)控。

太陽風和（微）隕石撞擊在不同月球采樣點的相對影響。(a)太陽風在不同月球采樣點的相對影響。(b)（微）隕石撞擊在不同經(jīng)度的相對通量。(c)太陽風和（微）隕石撞擊在不同月球采樣點的相對貢獻。

五 亮點

研究首次系統(tǒng)分析了月球背面樣品主要礦物的太空風化特征，探討了月球背面和背面空間風化的潛在差異。研究結(jié)果豐富了我們對無大氣天體表面各礦物在較短暴露時間內(nèi)如何響應太空風化的認識，并為揭示月球空間環(huán)境如何驅(qū)動太空風化差異提供了關鍵指標。此外，此研究為月球空間環(huán)境的二分性提供了基于返回樣品的證據(jù)，突出了空間環(huán)境變量在太空風化過程中的關鍵作用，對理解太陽風輻射和微隕石撞擊如何協(xié)同塑造月球和其他無大氣天體的表面具有重要意義。