当我们仰望夜空时，皎月的光亮似乎亘古如斯。然而，在科学家们眼中，月球表面土壤正经历着一场缓慢而持续的变化，这种变化不仅影响着月球外观的颜色，还蕴含着丰富的科学信息。

近日，中国科学家们对嫦娥五号带回的月壤样本进行深入研究，揭示了这一神秘变化背后的奥秘。这项由中国科学院物理研究所汪卫华院士团队、中国空间技术研究院杨孟飞院士团队和南京大学邹志刚院士团队共同完成的研究，不仅深化了我们对月球表面演化的认识，还为未来探索其他天体提供了重要启示。

下面，让我们一起揭开月球光谱颜色变化的神秘面纱。

月球玻璃珠：太空风化的“时光胶囊”

在嫦娥五号带回的月壤样本中，科学家们发现了一种特殊的物质——月球玻璃珠。这些微小的玻璃珠是自然形成的非人工制品，它们就像是记录太空风化过程的“时光胶囊”，蕴含着丰富信息。

（微）陨石撞击和太阳风辐照对月球表面的风化作用。图片来源：参考文献[1]

这些玻璃珠的形成过程十分独特，当高速陨石或微陨石撞击月球表面时，产生的巨大能量会使撞击点附近的岩石瞬间熔化，这些熔融的岩石物质在冲击波作用下被抛向空中，在飞行过程中快速冷却，形成各种形状的玻璃颗粒。其中，部分熔滴在飞行过程中高速旋转，最终凝固成球形或椭球形的玻璃珠。

研究团队在这些玻璃珠中发现了大量的纳米级金属铁颗粒，这些微小的铁颗粒是导致月球表面光学性质变化的关键因素。纳米铁颗粒的存在会改变月球表面对不同波长光的反射特性，从而影响我们观察到的月球“颜色”。

科学家们发现，这些纳米铁颗粒并非均匀分布在玻璃珠中，它们的大小、分布和形成机制存在显著差异，这为理解月球表面的演化过程提供了重要线索。研究人员利用先进的原位电子显微技术，实现了对纳米铁颗粒形成过程的动态观察。这种技术让科学家们能够“看到”纳米颗粒在玻璃珠中的成长和迁移，为理解其形成机制提供了直接的实验证据。

玻璃珠中存在两种不同尺寸的纳米铁颗粒，一种较大，一种较小。其中，较大的纳米铁颗粒（尺寸在几十纳米量级）主要分布在玻璃珠两端，这些大颗粒的形成与陨石撞击密切相关。

当高速陨石撞击月球表面时，产生的高温高压条件将含铁矿物熔化并转化为单质铁。这个过程可能涉及两种机制：一是撞击引发的不成比例反应，即含铁氧化物在极端条件下分解为单质铁和氧气；二是热分解过程，即含铁硫化物等在高温条件下分解产生单质铁。

这些新生成的单质铁在熔融的玻璃珠中快速成核和生长，形成了较大的纳米铁颗粒。有趣的是，科学家们还观察到这些铁颗粒在玻璃珠中的特殊分布：在玻璃珠旋转过程中，离心力作用使这些铁颗粒向两端迁移，最终在玻璃珠凝固时被“冻结”在两端位置。更令人惊讶的是，这种旋转导致的汇聚作用有时会产生尺寸达几百纳米甚至微米量级的超大粒径金属铁颗粒。这一发现为我们理解月球表面的微观结构提供了新的视角。

研究团队还发现，除了常见的圆形玻璃珠外，还存在一些两端含有大粒径纳米铁凸起的椭球或哑铃状玻璃珠。这种特殊形状的玻璃珠为研究纳米铁的形成和分布提供了绝佳的“实验室”。

月蚀阶段。图片来源：图虫创意

太阳风辐照：小粒径纳米铁的“源泉”

科学家们还在玻璃珠表面发现了大量更小的纳米铁颗粒（尺寸仅几个纳米）。这些小颗粒主要分布在月壤颗粒表面百纳米深度的区域内，恰好对应太阳风离子的有效注入深度。

太阳风是从太阳表面持续喷射出的带电粒子流，主要由质子和电子组成。这些高能粒子不断轰击月球表面，导致其表层物质发生物理和化学变化。研究发现，在太阳风离子注入的深度范围内，辐照损伤导致的气孔或囊泡缺陷与小粒径纳米铁颗粒的析出存在明显的伴生关系。这一现象明确了小粒径纳米颗粒与太阳风辐照之间的因果关系。

这一发现颠覆了科学界之前的认知。经典观念认为，纳米铁主要形成于月壤颗粒表面的沉积非晶层中。然而，这项研究表明，小粒径纳米铁实际上分布在沉积非晶层以下的辐照损伤层内，这意味着太阳风对月球表面的光谱改造作用远比先前我们认为的更加重要和深入。

更有趣的是，科学家们发现，当月壤颗粒的尺寸小于太阳风离子的穿透深度时，整个颗粒内部都充满了密集的纳米铁颗粒。这一观察结果进一步证实了太阳风辐照在小粒径纳米铁形成过程中的关键作用。

月球玻璃珠和纳米金属铁的形成与演化。图片来源：参考文献[1]

新发现：月亮“颜色”变化的影响机制

这项研究突破了传统观点中认为纳米铁主要由单一机制形成的看法。科学家们证实，不同尺寸的纳米铁颗粒有着不同的形成机制：大颗粒主要由陨石撞击产生，而小颗粒主要源于太阳风辐照。

这一发现为理解月球表面光谱颜色变化提供了全新视角。月球表面的光学性质变化，实际上是这两种机制共同作用的结果：大颗粒纳米铁主要影响月球表面的整体反射率，而小颗粒纳米铁则更多地影响着光谱的细节特征。

通过理解这两种机制的相对贡献，科学家们现在能够更准确地预测月球不同区域的光学性质变化。例如，在月球的磁性异常区，太阳风的影响可能较弱，因此这些区域的颜色变化可能主要受陨石撞击的影响。相反，在月球赤道地区，太阳风辐照更为强烈，小粒径纳米铁的形成可能更为显著。

此外，这项研究还为理解月球阴影区的演化提供了新思路。在永久阴影区，由于缺乏太阳风辐照，月表光谱的颜色变化可能主要由陨石撞击主导，这对于探索月球极地地区的水冰资源具有重要意义。

大满月各阶段。图片来源：图虫创意

结语

这项研究不仅揭示了月表光谱颜色变化机制，还深化了我们对太空环境与天体表面相互作用的认识。通过分析不同尺寸纳米铁的形成机制，科学家们实际上构建了一个微观尺度的太空风化模型。该模型不仅适用于月球，还可以扩展到其他无大气天体（如小行星和水星等）。通过比较不同天体表面的纳米铁特征，我们可以推断它们所经历的太空环境历史，从而更好地理解太阳系的演化过程。

该项研究成果为未来月球和小行星探测任务提供了重要参考，同时也开辟了太空风化研究新方向。

嫦娥五号带回的月壤样本，给我们打开了一扇通往月球秘密的大门。中国科学家们通过对月球玻璃珠的精细研究，不仅揭示了月球“颜色”变化的奥秘，还为我们展示了宇宙环境对天体表面的复杂影响。随着探月工程的深入和分析技术的进步，我们期待着更多关于月球乃至整个太阳系的惊人发现。

参考文献

[1]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

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出品丨科普中国

作者丨可可 科普创作者

监制 | 中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林

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