國家空間科學(xué)中心基于“嫦娥四號”獲取的具有超高空間分辨率的影像與光譜數(shù)據(jù)，首次在月表原位識別出年齡在1個百萬年以內(nèi)的碳質(zhì)球粒隕石撞擊體殘留物。

月球自形成以來就經(jīng)歷了強烈的轟擊歷史。一些撞擊物的碎片留在月球表面，能提供地月系統(tǒng)中撞擊物成分和撞擊物種群演變的證據(jù)。

此項研究中，國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)劉洋研究員團隊報告了由“玉兔二號”獲得的1個百萬年以內(nèi)形成的2米大小的隕石坑的觀測結(jié)果。高光譜圖像突出顯示了具有高濃度 (47%) 碳質(zhì)球粒隕石材料的存在。研究者認為這是原始撞擊的殘留物，它沒有被撞擊完全蒸發(fā)。他們還認為，碳質(zhì)球粒隕石可能仍是目前月球的水源之一。

此外，研究顯示，比較年輕的月表物質(zhì)（如“嫦娥五號”返回樣品）中存在撞擊體殘留物的可能性。

圖一

相關(guān)論文于當?shù)貢r間11月25日發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《自然-天文》上，論文標題為“Impact remnants rich in carbonaceous chondrites detected on the Moon by the Chang’e-4 rover”。

先前，已有研究在“阿波羅樣品”中發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)球粒隕石碎片，不過，人們從未在月球表面通過遙感探測直接觀測到碳質(zhì)球粒隕石的撞擊殘留物。

2019年1月，“嫦娥四號”探測器成功著陸于月球背面南極-艾肯盆地的馮·卡門撞擊坑中，隨后，其搭載的“玉兔二號”巡視器在月球表面進行持續(xù)巡視。“玉兔二號”的全景相機和可見-近紅外成像光譜儀能夠獲取超高分辨率的月表影像與高光譜數(shù)據(jù)（< 1 mm/pixel）。

巡視過程中，“玉兔二號”發(fā)現(xiàn)了一個小的新鮮撞擊坑，并在第9月晝的時候?qū)@個撞擊坑進行詳細的光譜探測（圖1）。

劉洋團隊根據(jù)全景相機近距離獲取的撞擊坑影像，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)（圖1b）。他們利用高光譜影像數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)撞擊坑中心的疑似“殘留物”與坑內(nèi)及坑外的典型月壤、巖石碎塊的光譜呈現(xiàn)明顯不同（圖1c）。

通常，月表巖石或月壤的反射光譜會呈現(xiàn)“紅化”特征，即反射率隨著波長的增加而增加。而且，月表發(fā)生的太空風化作用一般會進一步加劇這種紅化特征。然而，撞擊坑中心疑似殘留物的光譜卻呈現(xiàn)出“藍化”的特征，即反射率隨著波長增加而減小。

圖二 撞擊殘留物光譜與“阿波羅”月球玻璃及碳質(zhì)球粒隕石光譜的對比

因此，劉洋團隊推測，可能有某種具有藍化光譜特征的外來撞擊體物質(zhì)混入其中。他們搜集了大量碳質(zhì)球粒隕石（小行星中只有碳質(zhì)小行星的光譜存在藍化特征）的光譜，將光譜仔細對比后發(fā)現(xiàn)，撞擊坑殘留物與碳質(zhì)隕石光譜很相似（圖2）?；谳椛鋫鬏斈Ｐ偷墓庾V定量反演結(jié)果顯示，該殘留物中碳質(zhì)隕石組分占比達40wt.%以上。

劉洋團隊還對該撞擊坑進行了詳盡的形貌分析以進一步確認結(jié)果。

基于“玉兔二號”獲取的立體影像對，他們采用攝影測量方法，構(gòu)建了覆蓋該小撞擊坑及附近區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型（DEM）。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(qū)域的二次撞擊坑的深度-直徑比（1:17左右）要高很多。這表明該撞擊坑應(yīng)該屬于一次撞擊坑，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。

為了進一步對上述研究結(jié)果進行限定，劉洋團隊利用數(shù)值模擬技術(shù)對該撞擊坑開展研究。

結(jié)果顯示，一個直徑15cm的疏松撞擊體以15km/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征，并有殘留物分布于撞擊坑中心。分析結(jié)果表明，該撞擊坑可能是一個小型碳質(zhì)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(qū)水冰的主要貢獻者之一，而碳質(zhì)小行星比較富含水，因此，小天體在撞擊過程中攜帶的水可能有部分保留在了月表。

此前在地面進行的高速撞擊模擬實驗研究發(fā)現(xiàn)，撞擊體中可能有達30wt.%的水得以保留在撞擊熔體或殘留物中。

劉洋團隊基于撞擊坑退化模型對該撞擊坑的形成年齡進行估算，發(fā)現(xiàn)該撞擊坑應(yīng)該形成于距今一百萬年以內(nèi)。對碳質(zhì)撞擊殘留物的直接觀測結(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”從月表一個相對年輕的玄武巖單元里采集返回的樣品中將有很大概率發(fā)現(xiàn)類似的撞擊殘留物。

屆時，結(jié)合主微量元素與同位素年代學(xué)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(shù)據(jù)，將有可能在月表更多地方發(fā)現(xiàn)類似的撞擊殘留物分布，從而進一步加深對月球水的來源與分布的認識。　　　　

美國夏威夷大學(xué)、澳門科技大學(xué)、北京大學(xué)和香港理工大學(xué)等的科研人員參與該研究。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、民用航天領(lǐng)域預(yù)先研究及中國博士后科學(xué)基金會特別資助等的支持。