“嫦娥四号”在月球背面探测一“天外来客”：碳质球粒陨石

国家空间科学中心基于“嫦娥四号”获取的具有超高空间分辨率的影像与光谱数据，首次在月表原位识别出年龄在1个百万年以内的碳质球粒陨石撞击体残留物。
月球自形成以来就经历了强烈的轰击历史。一些撞击物的碎片留在月球表面，能提供地月系统中撞击物成分和撞击物种群演变的证据。
此项研究中，国家空间科学中心空间天气学刘洋研究员团队报告了由“玉兔二号”获得的1个百万年以内形成的2米大小的陨石坑的观测结果。高光谱图像突出显示了具有高浓度 (47%) 碳质球粒陨石材料的存在。研究者认为这是原始撞击的残留物，它没有被撞击完全蒸发。他们还认为，碳质球粒陨石可能仍是目前月球的水源之一。
此外，研究显示，比较年轻的月表物质（如“嫦娥五号”返回样品）中存在撞击体残留物的可能性。

图一

相关论文于当地时间11月25日发表在知名学术期刊《自然-天文》上，论文标题为“Impact remnants rich in carbonaceous chondrites detected on the Moon by the Chang’e-4 rover”。
先前，已有研究在“阿波罗样品”中发现了碳质球粒陨石碎片，不过，人们从未在月球表面通过遥感探测直接观测到碳质球粒陨石的撞击残留物。
2019年1月，“嫦娥四号”探测器成功着陆于月球背面南极-艾肯盆地的冯·卡门撞击坑中，随后，其搭载的“玉兔二号”巡视器在月球表面进行持续巡视。“玉兔二号”的全景相机和可见-近红外成像光谱仪能够获取超高分辨率的月表影像与高光谱数据（< 1 mm/pixel）。
巡视过程中，“玉兔二号”发现了一个小的新鲜撞击坑，并在第9月昼的时候对这个撞击坑进行详细的光谱探测（图1）。
刘洋团队根据全景相机近距离获取的撞击坑影像，发现撞击坑中心存在一些与坑壁及坑外月壤明显不同的物质（图1b）。他们利用高光谱影像数据分析后，发现撞击坑中心的疑似“残留物”与坑内及坑外的典型月壤、岩石碎块的光谱呈现明显不同（图1c）。
通常，月表岩石或月壤的反射光谱会呈现“红化”特征，即反射率随着波长的增加而增加。而且，月表发生的太空风化作用一般会进一步加剧这种红化特征。然而，撞击坑中心疑似残留物的光谱却呈现出“蓝化”的特征，即反射率随着波长增加而减小。

图二 撞击残留物光谱与“阿波罗”月球玻璃及碳质球粒陨石光谱的对比

因此，刘洋团队推测，可能有某种具有蓝化光谱特征的外来撞击体物质混入其中。他们搜集了大量碳质球粒陨石（小行星中只有碳质小行星的光谱存在蓝化特征）的光谱，将光谱仔细对比后发现，撞击坑残留物与碳质陨石光谱很相似（图2）。基于辐射传输模型的光谱定量反演结果显示，该残留物中碳质陨石组分占比达40wt.%以上。
刘洋团队还对该撞击坑进行了详尽的形貌分析以进一步确认结果。
基于“玉兔二号”获取的立体影像对，他们采用摄影测量方法，构建了覆盖该小撞击坑及附近区域的高精度数字高程模型（DEM）。对四个不同方向的高程剖面分析显示，当包含中央凹陷时该撞击坑的深度-直径比值在1:5左右，去除中央凹陷后的深度-直径比值在1:10左右。这比该区域的二次撞击坑的深度-直径比（1:17左右）要高很多。这表明该撞击坑应该属于一次撞击坑，而非原始撞击产生的溅射体再次撞击月表形成的二次撞击坑。
为了进一步对上述研究结果进行限定，刘洋团队利用数值模拟技术对该撞击坑开展研究。
结果显示，一个直径15cm的疏松撞击体以15km/s的速度（月表的典型撞击体速度）撞击月表可以形成上述观测到的小撞击坑形貌特征，并有残留物分布于撞击坑中心。分析结果表明，该撞击坑可能是一个小型碳质陨石撞击后形成。
撞击输运过程被认为是月球表面水及永久阴影区水冰的主要贡献者之一，而碳质小行星比较富含水，因此，小天体在撞击过程中携带的水可能有部分保留在了月表。
此前在地面进行的高速撞击模拟实验研究发现，撞击体中可能有达30wt.%的水得以保留在撞击熔体或残留物中。
刘洋团队基于撞击坑退化模型对该撞击坑的形成年龄进行估算，发现该撞击坑应该形成于距今一百万年以内。对碳质撞击残留物的直接观测结果表明，相似的碳质陨石残留物可能在月表非常普遍，在“嫦娥五号”从月表一个相对年轻的玄武岩单元里采集返回的样品中将有很大概率发现类似的撞击残留物。
届时，结合主微量元素与同位素年代学分析，将可以对撞击体成分与类型演变进行更好的限定。未来，利用更高空间分辨率的遥测光谱数据，将有可能在月表更多地方发现类似的撞击残留物分布，从而进一步加深对月球水的来源与分布的认识。　　　　
美国夏威夷大学、澳门科技大学、北京大学和香港理工大学等的科研人员参与该研究。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、民用航天领域预先研究及中国博士后科学基金会特别资助等的支持。