科学家确定月球稀薄大气层的起源

科学家们确定了月球稀薄大气的起源

自上世纪80年代以来，天文学家观察到了覆盖在月球表面上的极其微薄的原子层。这种脆弱的大气——技术上被称为“外气层”——可能是某种太空风化的产物。但确切的风化过程一直难以确定。

麻省理工学院和芝加哥大学的科学家现在称他们已经确定了形成月球大气并维持至今的主要过程。在《科学进展》杂志上发表的一项研究中，研究小组报告说，月球大气主要是由“撞击汽化”形成的。

研究人员分析了NASA阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。他们的分析表明，在月球45亿年的历史中，其表面一直受到持续轰击，首先是大型陨石，然后是更小的尘粒大小的“微陨石”。

这些不断的撞击搅起了月球土壤，使某些原子汽化并升入空中。一些原子被喷入太空，而其他原子悬浮在月球上方，形成一个稀薄的大气，随着陨石继续砸向表面，它不断得到补充。

研究人员发现，撞击汽化是月球在数十亿年内生成和维持其极其微薄大气的主要过程。

此外，2013年，美国宇航局(NASA)向月球发射了一颗环绕器进行详细的大气侦察。月球大气与尘埃环境探测器(LADEE)的任务是远程收集有关月球稀薄大气、表面条件以及对月球尘埃的任何环境影响的信息。

LADEE的任务是确定月球大气的起源。科学家希望该探测器对土壤和大气成分的远程测量能够与特定的太空风化过程相关联，从而解释月球大气的形成过程。

研究人员怀疑两种太空风化过程在塑造月球大气中起着作用：撞击汽化和“离子溅射”——一种涉及太阳风的现象，太阳风携带来自太阳的高能带电粒子通过太空。当这些粒子击中月球表面时，它们可以将能量转移给土壤中的原子，并将这些原子溅射并飞入空中。

为了更准确地确定月球大气的起源，Nie研究了美国宇航局阿波罗任务期间宇航员收集的月球土壤样本。她和她在芝加哥大学的同事获得了10份约100毫克的月球土壤样品。Nie试图首先从每个样品中分离出两种元素：钾和铷。这两种元素都是“挥发性”的，意味着它们容易被撞击和离子溅射所蒸发。

团队推断，如果月球的大气由被汽化并悬浮在空中的原子组成，那么这些原子的轻同位素应该更容易上升，而较重的同位素则更有可能沉积回土壤中。此外，科学家预测，撞击汽化和离子溅射应该导致土壤中同位素的比例差异。钾和铷的重同位素与轻同位素之间的特定比率应该揭示了对月球大气起源做出贡献的主要过程。

考虑到所有这些，Nie首先将土壤粉碎成细粉，然后溶解粉末以纯化和分离含有钾和铷的溶液。她然后通过质谱仪测量了每个样品中钾和铷的各种同位素。

团队发现，土壤中主要含有钾和铷的重同位素。研究人员能够量化钾和铷的重同位素与轻同位素的比率，并通过比较这两种元素，他们发现撞击汽化很可能是使原子汽化并升入形成月球大气的主要过程。

“我们的研究现在可以量化这两个过程的作用，可以说撞击汽化相对于离子溅射的相对贡献约为70:30或更大。” 换句话说，70%或更多的月球大气是陨石撞击的产物，而剩下的30%是太阳风的结果。

这项研究的参与者之一，剑桥大学研究月球土壤的博士后胡贾斯汀表示：“这一发现超出了对月球历史的理解，因为这些过程可能会发生并且在其他卫星和小行星上可能更为重要，而这些是许多计划中重返任务的焦点。”

Nie表示：“如果没有这些阿波罗样本，我们将无法获得精确的数据并量化以更详细地了解事物。从月球和其他行星体上带回样本对我们非常重要，这样我们就可以更清晰地描绘太阳系的形成和演化图景。”