阿波罗样本揭秘：碰撞气化是月球大气形成主因

阿波罗样本揭秘：碰撞气化是月球大气形成主因

月球上是有大气的，只是非常稀薄，不足以用于呼吸。自20世纪80年代以来，天文学家就观察到月球表面有一层非常薄的原子在弹跳。
严格来说，这层若有似无的大气层应被称为“外逸层”。科学家认为它很可能是某种太空风化的产物，只是一直以来他们都无法确定它的形成具体是由什么过程导致的。
在一项新发表于《科学进展》的研究中，一组科学家在分析了由阿波罗任务带回的月球土壤样本后，确定使月球大气层形成并维持下去的主要过程是“碰撞气化”。

两种风化作用

2013年，月球大气及尘埃环境探测器（LADEE）升空。这个绕月轨道飞行器的主要任务是远程收集有关月球的稀薄大气、表面状况以及任何环境对月球尘埃的影响的信息，进而帮助确定月球大气的起源。
科学家们推测，通过分析LADEE对月球的土壤和大气成分的远程测量结果，或许能得出月球大气的形成与某些太空风化过程有关，比如碰撞气化和离子溅射。
所谓碰撞气化，指的是当陨石的撞击激起了月球上的土壤时，会在接触时使某些原子气化，并将颗粒抛入空气中。这些原子中的一部分可能被喷射到太空中，还有一部分则可能悬浮在月球上空，形成稀薄的大气层。
离子溅射则是一种与太阳风（从太阳携带高能带电粒子穿过太空）有关的现象。当这些粒子撞击月球表面时，可以将能量传递给土壤中的原子，并使这些原子溅射并飞入空气中。
根据LADEE的数据，研究人员发现，这两个过程似乎都对月球大气的形成起到了作用。例如，在陨星雨期间，大气中会存在更多的原子，这意味着碰撞的确是会产生效应的；但与此同时，当月球被太阳遮挡时，比如在日食期间，大气中的原子数量也会发生变化，这意味着太阳也会产生效应。

土壤中的答案

不过，研究人员并不能基于LADEE的数据量化这两种过程的具体贡献。因此，为了更精确地确定月球大气的起源，他们分析了阿波罗任务期间宇航员收集的10份月球土壤样本，每份样本的含量约为100毫克。
他们首先从每份样品中分离出两种元素——钾（K）和铷（Rb）。这是两种易挥发的元素，这意味着它们很容易因为碰撞和离子溅射而气化。这两种元素都能以几种不同的同位素形式存在。
我们知道，同位素是同一元素的不同变体，它们由相同数量的质子组成，但中子数量略有不同。例如，钾有三种主要的同位素——³⁹K、⁴⁰K、⁴¹K，每一种都比前一种多一个中子，也比前一种稍微更重一点。类似地，铷也能以两种不同的同位素形式存在。
研究人员推断，如果月球的大气是由已经气化并悬浮在空气中的原子组成的，那么更轻的同位素原子应该更容易被释放出来，更重的同位素则更有可能回到土壤中。另外，他们还预测碰撞气化和离子溅射会导致土壤中同位素的比例大不相同。因此，通过分析土壤中钾和铷的不同同位素的比例，就能揭示导致月球大气形成的主要过程。
带着这样的想法，研究人员分析了阿波罗号带回的土壤。他们将土壤粉碎成细致的粉末，然后将粉末溶解在酸中，净化并分离出含有钾和铷的溶液。接着，他们用质谱仪对这些溶液进行测量，分析每份样品中的钾和铷的各种同位素含量。
分析结果表明，土壤中所含的主要是钾和铷的重同位素。研究人员对钾和铷的重同位素与轻同位素的比例进行了计算，通过比较这两种元素，他们量化了这两个过程的作用。
他们认为，碰撞气化很可能是导致月球大气形成的主要过程，碰撞气化与离子溅射的相对贡献之比至少是70比30。换句话说，至少有70%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。通过碰撞气化，大多数原子将留在月球大气中，而通过离子溅射，许多原子将会被喷射到太空中。
他们的分析表明，在月球近45亿年的历史里，月球表面不断受到陨石的撞击。首先是被一些巨大的陨石撞击，然后是在更近的时间被一些更小的、尘埃大小的“微流星体”撞击。随着月球表面不断地受到陨石的撞击，大气不断得到补充。

重大的成功

有科学家认为，这一发现超越了对月球历史的理解，因为这样的过程还可能会发生在其他卫星和小行星上。这一发现有助于我们更清晰地描绘太阳系的形成和演化。
研究人员将这一成功归功于阿波罗号带回的样本。他们指出，从月球和其他行星带回样本是至关重要的，如果没有这些样本，就无法获得精确的数据并进行定量测量，也就无法更详细地了解背后的机制。

本文原文来自腾讯新闻