近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛(wèi)華院士團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國空間技術(shù)研究院楊孟飛院士團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)，對我國首次地外天體采樣返回樣品——嫦娥五號月壤開展了研究。

在前期揭示嫦娥五號月壤中多種類型玻璃物質(zhì)的基礎(chǔ)上，物理所非晶團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對月壤中一系列玻璃樣品進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征與分析，以期破解其所記錄的太空風(fēng)化信息。該研究發(fā)現(xiàn)，一顆月球玻璃珠能夠同時儲存不同尺寸、分布規(guī)律和顯微特征的納米金屬鐵顆粒，并借助玻璃珠明確的撞擊起源和旋轉(zhuǎn)特征，鑒別出在玻璃珠形成凝固前后分別產(chǎn)生的大、小粒徑納米鐵顆粒。進(jìn)一步，交叉結(jié)合天文學(xué)、空間科學(xué)等學(xué)科知識，研究發(fā)現(xiàn)具有不同光譜改造效應(yīng)的大、小尺寸納米鐵顆粒具有獨(dú)立的形成機(jī)制，分別對應(yīng)于月球表面的（微）隕石撞擊和太陽風(fēng)輻照作用，揭示了（微）隕石撞擊和太陽風(fēng)輻照這兩大空間活動在太空風(fēng)化過程中均起到重要而不同的作用。這深化了科學(xué)家對空間環(huán)境與月表物質(zhì)相互作用機(jī)理的認(rèn)識，為未來探索和預(yù)測月球磁性異常區(qū)、月球陰影區(qū)以及不同太空環(huán)境下小行星等天體顏色的變化規(guī)律提供了啟示。

該研究選擇月壤中普遍存在的撞擊玻璃顆粒為切入點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在嫦娥五號月壤中除前期報道的圓潤玻璃珠外，還存在著兩端含有大粒徑納米鐵凸起的橢球或啞鈴狀玻璃珠。觀測發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)玻璃珠的體內(nèi)鑲嵌著大量趨向兩端分布的、尺寸在幾十納米量級的較大粒徑鐵顆粒。結(jié)合顯微分析表明，這些大粒徑納米鐵是在玻璃珠凝固前的高溫撞擊熔體中產(chǎn)生的，即高速隕石撞擊產(chǎn)生的高溫高壓條件在熔化礦物的同時將含鐵氧化物或硫化物等轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鐵。這些單質(zhì)鐵在熔液中迅速成核長大，形成大粒徑鐵顆粒，并在熔滴飛濺旋轉(zhuǎn)過程中受離心力作用向兩端遷移，最終伴隨著熔滴凝固形成玻璃珠而被“凍結(jié)”保存下來。這種玻璃熔滴飛濺旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的匯聚作用，會誘發(fā)形成尺寸達(dá)幾百納米甚至微米量級的超大粒徑金屬鐵顆粒。

進(jìn)一步的觀測發(fā)現(xiàn)，在玻璃珠的表面密集分布著尺寸在幾個納米量級的小粒徑納米鐵顆粒。然而，不同于阿波羅月壤顆粒邊緣報道的富含納米鐵顆粒的表面沉積非晶層，這里觀測到的濃密分布的小粒徑納米鐵分布在月壤顆粒沉積非晶層以下，集中在月壤顆粒自身表面百納米深度的輻照損傷層內(nèi)。精密表征發(fā)現(xiàn)，在太陽風(fēng)離子的有效注入深度內(nèi)，輻照損傷導(dǎo)致的氣孔或囊泡缺陷與小粒徑納米鐵顆粒的析出存在明顯的伴生關(guān)系和共性的分布規(guī)律。同時，當(dāng)月壤顆粒的尺寸小于太陽風(fēng)離子的穿透深度時，整個顆粒內(nèi)部充滿了密集的納米鐵顆粒。這說明了表面分布的小粒徑納米鐵的太陽風(fēng)輻照起源，表明了太陽風(fēng)對月表光譜的改造作用遠(yuǎn)比先前認(rèn)為的更為重要。此外，對不同類型的嫦娥五號月壤礦物顆粒的檢測分析驗(yàn)證了上述研究的普遍性。

對嫦娥五號月壤太空風(fēng)化產(chǎn)物納米金屬鐵的綜合研究，突破了經(jīng)典觀念中由撞擊沉積或單一機(jī)制主控的納米鐵成因，強(qiáng)調(diào)了納米鐵顆粒的多重起源，并證實(shí)了大、小尺寸納米鐵的形成分別由撞擊和輻照作用主導(dǎo)，澄清了（微）隕石和太陽風(fēng)在太空風(fēng)化及天體顏色變化中的關(guān)鍵作用。上述成果與近年來大量的遙感探測光譜數(shù)據(jù)相吻合，對于預(yù)判經(jīng)歷不同太空環(huán)境的天體或地區(qū)的光學(xué)性質(zhì)具有指導(dǎo)意義。

相關(guān)研究成果以Separate effects of irradiation and impacts on lunar metallic iron formation observed in Chang’e-5 samples為題，在線發(fā)表在《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目等的支持。該研究使用了國家航天局提供的CE5C0400月壤樣品。

論文鏈接

（微）隕石撞擊和太陽風(fēng)輻照對月球表面的風(fēng)化作用及相應(yīng)月球玻璃珠和納米金屬鐵的形成與演化