嫦娥五号带来的发现和困惑

作者:Takeko,头图来自:视觉中国

2020年12月1日,嫦娥五号在月球正面的吕姆克山脉附近着陆。半个多月后,12月17日,它顺利结束了太空之旅,降落在内蒙古中部草原的预定区域。

嫦娥五号带来的发现和困惑

 嫦娥五号返回器。|图片来源:中国国家航天局探月工程 via The Conversation

这次探索创造了历史,它带回了1731克月球样本,这是自1976年苏联月球24号任务以来,人类时隔44年后再次从月球上采集到样本。

对于研究来说,带回样本仅仅是第一步。这些珍贵的“时间胶囊”中封存着大量关于过去的信息。

近日,在《科学》杂志上发表的一项新研究中,一组包括中国科学家在内的国际团队发表了令人惊讶的新结果:月岩分析证实,19.7亿年前,月球表面的熔岩仍在流动。这些由嫦娥五号带回的样本也是迄今为止在月球上发现的最年轻的火山岩。

在月球的地质历史上,许多火山喷发都发生在月球表面,喷发事件形成了大片的玄武岩(一种火山岩),也被称为月海。当我们抬头仰望月亮时,它们就是我们看到的一块块“黑斑”。

但原先许多研究认为,大多数火山活动发生在30亿至40亿年前。因为喷发事件所需的条件是,行星内部得存在足够的热量,来产生过程中所涉及的熔融物质。通常认为,对于一个像月球那么大的天体来说,这种程度的热量在天体形成的相对较早时期就应该已经不存在了。

此前,人们已知的最年轻的月岩来自20世纪60年代和70年代美国阿波罗任务和苏联月球任务所收集的样本,这些样本都有至少约30亿年的历史。对来自月球的陨石研究同样证实了这一点。

但过去几年针对月球表面拍摄的遥感图像却表明,月球上的岩石可能比以前带回地球直接研究的样本要年轻得多

一些科学家采取了一种名为撞击坑计数法的估算方式,这种方法能估计出天体表面年代。根据月球表面撞击坑的数量,研究推断月球上应当存在更年轻的火山岩。

但这显然需要月岩样本才能证实。嫦娥五号任务的目标之一便包括找到月球上一些最年轻的火山爆发的证据。

在北京的高灵敏度高分辨率离子微探针(SHRIMP)中心,研究团队使用仪器对嫦娥五号采集到的样品进行了分析。首先,科学家对材料进行了分类,中国科学家人工挑选了几块大小约2毫米的玄武岩碎片进行调查。

嫦娥五号带来的发现和困惑

 用于研究月球玄武岩的SHRIMP II仪器。|图片来源:中国国家航天局北京SHRIMP中心 via The Conversation

随后,团队采用了建立在早先分析基础之上的方法进行了实验室分析。确定岩石年龄的过程实际上非常复杂,简单来说,他们需要用一束聚焦的带电粒子束,使得岩石中的不同矿物相喷射出物质,并分析了这些物质。

最终,研究确认,这些火山岩的年龄约19.7亿年,比之前所有的月球火山岩样本都要年轻。

这一结果非常令人兴奋,但它也带来了一个新的科学谜团:这些喷发活动所需的内部热量来自何处?为什么月球在形成25亿年后仍然有足够的内部热量继续维持火山喷发活动?

虽然科学家此前曾提出,月球内部高浓度的放射性元素可能会熔化月球内部的岩石物质,但这些样本的成分已经表明,这并不是这种情况的驱动力。

另外一种假说被称为潮汐加热。也就是说,月球内部的热量是由月球、地球和太阳之间的引力引起的拉伸和挤压而产生的。但这仍需要更多观测来证实。

又或者,月球地幔成分的某个独特方面,可能会导致较低的熔融温度,从而解释了熔融物质是如何形成的。

嫦娥五号带来的发现和困惑

 月球火山岩。|图片来源:中国国家航天局北京SHRIMP中心 via The Conversation

一般来说,各种岩质行星和卫星上的玄武岩都很相似,但也有一些关键差异能让它们变得独一无二。

月球玄武岩可能是在更热的条件下形成的,因为月球上的水比地球上的更稀缺。水的存在可以改变岩石熔化或凝固的温度,月球上较热的地层可以使岩石的化学成分产生一些微妙但重要的变化,让它们不同于地球上相似类型的岩石。例如,许多月岩中钛的含量非常高,这在地球上是前所未见的。(但嫦娥五号收集的岩石中钛含量中等。)

因此,接下来的研究重点便是分析更多碎片,确定它们在化学成分上的差异。这将有希望告诉我们更多关于岩石形成的具体条件。

这不仅是第一次直接证实月球上存在更年轻的火山岩,也证实了遥感观测技术的有效性。科学家相信,这对于研究其他行星,特别是研究火星的专家来说,绝对是个好消息。

同时,这项研究再一次证明,在地球上的实验室中破译那些从其他天体带回的样本,具有几乎无可替代的科学价值。这些研究都将不断增进我们对太阳系动态,以及行星形成和演化的理解。

参考来源:

https://theconversation.com/change-5-samples-reveal-moon-rocks-dating-back-less-than-2-billion-years-the-youngest-weve-seen-169429

https://theconversation.com/we-shaved-a-billion-years-off-the-age-of-the-youngest-known-moon-rocks-and-rewrote-lunar-geological-history-169453

作者:Takeko

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