中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員劉洋團隊基於“嫦娥四號”巡視器獲取的具有超高空間分辨率的影像與光譜數據，首次在月表原位識別出年齡在1個百萬年以內的碳質球粒隕石撞擊體殘留物。先前研究在“阿波羅樣品”中發現了碳質球粒隕石碎片，但從未在月球表面通過遙感探測直接觀測到碳質球粒隕石的撞擊殘留物。
劉洋團隊的發現表明，富含揮發分的碳質小行星的撞擊或仍為現在的月球提供水源。同時，研究顯示，比較年輕的月表物質（如“嫦娥五號”返回樣品）中存在撞擊體殘留物的可能性。而對這些可能存在於“嫦娥五號”樣品中撞擊體殘留物的直接分析，將對地月系統撞擊體成分和類型的演變歷史提供重要參考，並有望對太陽系軌道動力學演化進行進一步約束，增進關於內太陽系撞擊歷史的了解。近日，相關研究成果發表在Nature Astronomy（《自然-天文》）上。
“嫦娥四號”探測器於2019年1月成功着陸於月球背面南極-艾肯盆地的馮·卡門撞擊坑中，其搭載的“玉兔二號”巡視器隨後對月表開展了持續的巡視探測。“玉兔二號”裝備的全景相機和可見-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據（< 1 mm/pixel）。在月表巡視的過程中，“玉兔二號”發現了一個小的新鮮撞擊坑，並在第10月晝的時候對這個撞擊坑進行詳細的光譜探測（圖1）。基於全景相機近距離獲取的撞擊坑影像，劉洋團隊發現撞擊坑中心存在一些與坑壁及坑外月壤明顯不同的物質（圖1b）。研究對成像光譜儀獲取的高光譜影像數據分析發現，撞擊坑中心的疑似“殘留物”與坑內及坑外的典型月壤、岩石碎塊的光譜呈現明顯不同的特徵（圖1c）。通常情況下，月表岩石或月壤的反射光譜會呈現出“紅化”的特徵（即反射率隨着波長的增加而增加，表現在光譜曲線整體呈現正斜率），且月表發生的太空風化作用一般會進一步加劇這種紅化特徵。而撞擊坑中心疑似殘留物的光譜卻呈現出“藍化”的特徵（即反射率隨着波長增加而減小，光譜曲線整體呈現負斜率）。由此，劉洋團隊推測，或存在某種具有藍化光譜特徵的外來撞擊體物質混入其中。小行星中，只有碳質小行星的光譜存在藍化特徵。研究搜集了大量碳質球粒隕石的光譜，經過仔細對比后發現，該殘留物確實與碳質隕石光譜具有很高的相似度（圖2）。基於輻射傳輸模型的光譜定量反演結果顯示，該殘留物中碳質隕石組分佔比達40 wt.%以上。
為了進一步確認上述分析結果，劉洋團隊對該撞擊坑進行了詳盡的形貌分析（圖3）。基於“玉兔二號”全景相機獲取的立體影像對，科研人員採用攝影測量方法，構建了覆蓋該小撞擊坑及附近區域的高精度數字高程模型（DEM）。研究對四個不同方向的高程剖面分析顯示，當包含中央凹陷時該撞擊坑的深度-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，表明該撞擊坑應該屬於一次撞擊坑，而非原始撞擊產生的濺射體再次撞擊月表形成的二次撞擊坑。為了進一步對上述研究結果進行限定，劉洋團隊利用數值模擬技術對該撞擊坑開展研究。結果顯示，一個直徑15 cm的疏鬆撞擊體以15 km/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到的小撞擊坑形貌特徵，並有殘留物分佈於撞擊坑中心。分析結果表明，該撞擊坑可能是一個小型碳質隕石撞擊后形成。
撞擊輸運過程被認為是月球表面水及永久陰影區水冰的主要貢獻者之一，而碳質小行星是小天體中相對比較富含水及揮發分的一類（圖4），在撞擊過程中其攜帶的水可能有部分得以保留在月表。此前在地面進行的高速撞擊模擬實驗研究發現，撞擊體中可能有達30 wt.%的水得以保留在撞擊熔體或殘留物中。基於撞擊坑退化模型，劉洋團隊對該撞擊坑的形成年齡進行估算，結果表明該撞擊坑應該形成於距今一百萬年以內。這對碳質撞擊殘留物的直接觀測結果表明，相似的碳質隕石殘留物可能在月表非常普遍，在“嫦娥五號”從月表一個相對年輕的玄武岩單元里採集返回的樣品中將有很大概率發現類似的撞擊殘留物。屆時，結合主微量元素與同位素年代學分析，將可以對撞擊體成分與類型演變進行更好的限定。未來，利用更高空間分辨率的遙測光譜數據，將有可能在月表更多地方發現類似的撞擊殘留物分佈，從而進一步加深對月球水的來源與分佈的認識。
美國夏威夷大學、澳門科技大學、北京大學和香港理工大學等的科研人員參與該研究。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、民用航天領域預先研究及中國博士后科學基金會特別資助等的支持。
論文鏈接
圖1.“玉兔二號”對巡視路徑上“偶遇”的一個小型新鮮撞擊坑進行詳細的光譜探測。a、“玉兔二號”搭載的全景相機獲取的影像拼接而成的全景圖，可以看到撞擊坑與着陸器的相對位置；b、全景相機近距離拍攝的小撞擊坑全貌，該圖為假彩色圖，撞擊坑中心呈現的黃綠色部分為可能的撞擊體殘留物，白框指示的是進行成像光譜觀測的區域；c、從成像光譜觀測區域中提取的典型“殘留物”、月壤、岩石碎塊的反射光譜；d、成像光譜儀獲取的觀測區域影像。（Yang et al., 2021 Nature Astronomy）
圖2.撞擊殘留物光譜與“阿波羅”月球玻璃及碳質球粒隕石光譜的對比。（Yang et al., 2021 Nature Astronomy）
圖3.目標撞擊坑的數字高程模型（DEM）及基於iSALE的數值撞擊模擬結果。a、利用全景相機獲取的立體影像對構建的撞擊坑DEM；b、該撞擊坑在四個不同方向的高程剖面；c、基於iSALE的撞擊坑數值模擬結果，很好地重複了觀測到的撞擊坑剖面形貌及殘留物分佈特點。（Yang et al., 2021 Nature Astronomy）
圖4.月球水的可能來源（圖片源自：LPI/David A. Kring）