當我們仰望夜空中的月亮時，那銀白色的光芒似乎亙古不變。然而，在科學家們的眼中，月球表面正在經歷著一場緩慢而持續的變化。這種變化不僅影響著月球的外觀，也蘊含著豐富的科學資訊。
近日，中國科學家們透過對嫦娥五號帶回的月壤樣本進行深入研究，揭示了這一神秘變化背後的奧秘。這項由中國科學院物理研究所汪衛華院士團隊、中國空間技術研究院楊孟飛院士團隊和南京大學鄒誌剛院士團隊共同完成的研究，不僅深化了我們對月球表面演化的認識，還為未來探索其他天體提供了重要啟示。
讓我們一起揭開月球「顏色」變化的神秘面紗。
月球玻璃：太空風化的時光膠囊
在嫦娥五號帶回的月壤樣本中，科學家們發現了一種特殊的物質——月球玻璃珠。這些微小的玻璃珠並非人工制品，而是自然形成的。它們就像是記錄太空風化過程的時光膠囊，裏面蘊含著豐富的資訊。
（微）隕石撞擊和太陽風輻照對月球表面的風化作用
（圖片來源：參考文獻1）
這些玻璃珠的形成過程十分獨特，當高速隕石或微隕石撞擊月球表面時，巨大的能量會使撞擊點附近的巖石瞬間熔化。這些熔融的巖石物質在撞擊的沖擊波作用下被拋向空中，在飛行過程中快速冷卻，形成了各種形狀的玻璃顆粒。其中，部份熔滴在飛行過程中高速旋轉，最終凝固成為球形或橢球形的玻璃珠。
研究團隊在這些玻璃珠中發現了大量的奈米級金屬鐵顆粒，這些微小的鐵顆粒是導致月球表面光學性質變化的關鍵因素。奈米鐵顆粒的存在會改變月球表面對不同波長光的反射特性，從而影響我們觀察到的月球「顏色」。
科學家們發現，這些奈米鐵顆粒並非均勻分布在玻璃珠中。它們的大小、分布和形成機制存在顯著差異，這為理解月球表面的演化過程提供了重要線索。
研究人員利用了先進的原位電子顯微技術，實作了對奈米鐵顆粒形成過程的動態觀察。這種技術讓科學家們能夠「看到」奈米顆粒是如何在玻璃珠中成長和遷移的，為理解其形成機制提供了直接的實驗證據。
玻璃珠中存在兩種不同尺寸的奈米鐵顆粒，一種較大，一種較小。其中，較大的奈米鐵顆粒（尺寸在幾十奈米量級）主要分布在玻璃珠的兩端。這些大顆粒的形成與隕石撞擊密切相關。
當高速隕石撞擊月球表面時，產生的高溫高壓條件將含鐵礦物熔化並轉化為單質鐵。這個過程可能涉及兩種機制：一是撞擊引發的不成比例反應，即含鐵氧化物在極端條件下分解為單質鐵和氧氣；二是熱分解過程，即含鐵硫化物等在高溫下分解產生單質鐵。
這些新生成的單質鐵在熔融的玻璃珠中快速成核和生長，形成了較大的奈米鐵顆粒。有趣的是，科學家們還觀察到這些鐵顆粒在玻璃珠中的特殊分布。在玻璃珠旋轉過程中，離心力作用使這些鐵顆粒向兩端遷移，最終在玻璃珠凝固時被「凍結」在兩端位置。
更令人驚訝的是，這種旋轉導致的匯聚作用有時會產生尺寸達幾百奈米甚至微米量級的超大金屬鐵顆粒。這一發現為我們理解月球表面的微觀結構提供了新的視角。
除此之外，研究團隊還發現，除了常見的圓形玻璃珠外，還存在一些兩端含有大粒徑奈米鐵凸起的橢球或啞鈴狀玻璃珠。這種特殊形狀的玻璃珠為研究奈米鐵的形成和分布提供了絕佳的「實驗室」。
月蝕期間呈淡紅色的月球
（圖片來源：維基百科）
太陽風輻照：小顆粒奈米鐵的源泉
科學家們還在玻璃珠表面發現了大量更小的奈米鐵顆粒（尺寸僅幾個奈米）。這些小顆粒主要分布在月壤顆粒表面百奈米深度的區域內，恰好對應太陽風離子的有效註入深度。
太陽風是從太陽表面持續噴射出的帶電粒子流，主要由質子和電子組成。這些高能粒子不斷轟擊月球表面，導致表層物質發生物理和化學變化。研究發現，在太陽風離子註入的深度範圍內，輻照損傷導致的氣孔或囊泡缺陷與小粒徑奈米鐵顆粒的析出存在明顯的伴生關系。這一現象明確了小粒徑奈米顆粒與太陽風輻照之間的因果關系。
這一發現顛覆了科學界之前的認知。 傳統觀點認為，奈米鐵主要形成於月壤顆粒表面的非晶沈積層中。然而，這項研究表明，小粒徑奈米鐵實際上分布在沈積層以下的輻照損傷層內。這意味著太陽風對月球表面的光譜改造作用遠比先前認為的更為重要和深入。
更有趣的是，科學家們發現，當月壤顆粒的尺寸小於太陽風離子的穿透深度時，整個顆粒內部都充滿了密集的奈米鐵顆粒。這一觀察結果進一步證實了太陽風輻照在形成小粒徑奈米鐵中的關鍵作用。
月球玻璃珠和奈米金屬鐵的形成與演化
（圖片來源：參考文獻1）
月亮顏色變化的新解釋
這項研究突破了傳統觀點中認為奈米鐵主要由單一機制形成的看法。科學家們證實，不同尺寸的奈米鐵顆粒有著不同的形成機制：大顆粒主要由隕石撞擊產生，而小顆粒則主要源於太陽風輻照。
這一發現為理解月球表面顏色變化提供了全新的視角。月球表面的光學性質變化，實際上是這兩種機制共同作用的結果。大顆粒奈米鐵主要影響月球表面的整體反射率，而小顆粒奈米鐵則更多地影響光譜的細節特征。
透過理解這兩種機制的相對貢獻，科學家們現在能夠更準確地預測月球不同區域的光學性質變化。例如，在月球的磁性異常區，太陽風的影響可能較弱，因此這些區域的顏色變化可能主要受隕石撞擊的影響。相反，在月球赤道地區，太陽風輻照更為強烈，小粒徑奈米鐵的形成可能更為顯著。
此外，這項研究還為理解月球陰影區的演化提供了新思路。在永久陰影區，由於缺乏太陽風輻照，顏色變化可能主要由隕石撞擊主導。這對於探索月球極地地區的水冰資源具有重要意義。
剛過滿月的月球
（圖片來源：維基百科）
結語
這項研究不僅揭示了月球表面顏色變化的機制，還深化了我們對太空環境與天體表面交互作用的認識。 透過分析不同尺寸奈米鐵的形成機制，科學家們實際上構建了一個微觀尺度的太空風化模型。
這個模型不僅適用於月球，還可以擴充套件到其他無大氣天體，如小行星和水星等。透過比較不同天體表面的奈米鐵特征，我們可以推斷它們所經歷的太空環境歷史，從而更好地理解太陽系的演化過程。
研究成果為未來的月球和小行星探測任務提供了重要參考，也開辟了太空風化研究的新方向。
嫦娥五號帶回的月壤樣本，猶如開啟了一扇通往月球秘密的大門。透過對月球玻璃珠的精細研究，中國科學家們不僅揭示了月球「顏色」變化的奧秘，還為我們展示了宇宙環境對天體表面的深遠影響。隨著探月工程的深入和分析技術的進步，我們期待著更多關於月球乃至整個太陽系的驚人發現。
參考文獻 ：
-
Laiquan Shen, Rui Zhao, Chao Chang, Jihao Yu, Dongdong Xiao, Haiyang Bai, Zhigang Zou, Mengfei Yang & Weihua Wang, Separate effects of irradiation and impacts on lunar metallic iron formation observed in Chang’e-5 samples
出品：科普中國
作者：可可（科普創作者）
監制：中國科普博覽
