在流星的撞击下,月球表面出现了“喷泉”

来自美国航空航天局(NASA)和位于马里兰州劳雷尔的约翰?霍普金斯大学(Johns Hopkins University)应用物理实验室(Applied Physics Laboratory)的研究人员声称,撞击月球的流星群(meteoroid stream)给月球大气注入了暂时性的水蒸气。

这一发现将有助于科学家探索月球上水的历史。月球上的水为未来长期月球任务,以及人类深空探索提供了维持人类活动的资源。已有多种模型证明,流星体在撞击月球时会将月球中的水释放出来,形成水蒸气,但科学家一直没有观察到相应的现象。

现在,在月球大气及尘埃环境探测器(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer,LADEE)收集到的数据中,研究团队发现了数十个月球上的水释放事件。LADEE是NASA的月球探测和技术示范任务,围绕月球运行,收集与月球稀薄大气结构和组成相关的详细信息,并确定在这个过程中,月球上的尘埃是否有被带入到大气中。

来自LADEE航天器的数据显示:月球表面会定期释放出水。

版权:NASA/戈达德(Goddard)/丹?加拉格尔(Dan Gallagher)

在流星雨期间,当微流星体穿透月球干燥表面,并撞击到下方的水合层时,水就从月球中释放并喷射出来。

版权:NASA/戈达德(Goddard)/丹?加拉格尔(Dan Gallagher)

这一艺术概念动画显示了穿过地球和月球的流星雨,使得LADEE(动画中未显示)能够探测到月球上水分子信号的峰值。

版权:NASA/戈达德(Goddard)/丹?加拉格尔(Dan Gallagher)

科学家发现,在流星雨期间,月球中正释放出水。当彗星碎片撞击月球时,这种小碎片会在月球土壤中产生一种冲击波。如果冲撞的碎片足够大,这种冲击波会破坏月球干燥的上层土壤,并释放出下方水合层(hydrated layer)中的水分子;在进入稀薄的月球大气层时,LADEE太空船探测到了这些水分子。这一发现给未来的月球探索提供了潜在的水资源,同时也让我们对月球的历史地质和演化过程的认识和理解上升了一个层次。

“对于绝大部分这样的‘撞击喷泉事件’,我们找到了相应的已知流星群,但这项研究真正令人瞠目结舌的部分是:我们同时还找到了此前从来没发现过的四个流星群存在的证据。”迈赫迪?本纳(Mehdi Benna)说道。本纳来自NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center),以及马里兰大学巴尔的摩分校(University of Maryland Baltimore County),同时也是本次研究的主要作者。该研究发表在《自然?地球科学》(Nature Geosciences)期刊上。

LADEE探测到的、最新确认的流星群,于2014年1月9日、4月2日、4月5日以及4月9日出现在月球上。

LADEE太空船(左)探测到的月球上喷涌的水蒸气(右)艺术概念图,由流星体撞击月球引发。

版权:NASA/戈达德/概念图像实验室(Conceptual Image Lab)

现有的数据表明,月球上存在水分子(H2O)以及羟基(-OH,与H2O的性质相似,比H2O更活泼)。但关于月球上水的起源,不论是水是否在月球上广泛分布还是水在月球上存在的数量,争议仍然无休无止。

“大部分时间里,月球大气中都不存在数量可观的H2O或是-OH,”理查德?埃尔菲奇说道,“但当月球运行到穿过其中一段流星群中时,引发的水蒸气喷涌就足以让我们探测到了;然后,相应的流星群撞击事件结束之时,也即H2O或-OH隐退之时。”埃尔菲奇来自NASA位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)。

月球科学家常常用术语“水”(water)来指代H2O和-OH。未来的月球探索任务可能会解决月球上究竟有多少H2O和多少-OH的存在。

LADEE由NASA位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心建造和管理,利用戈达德航天中心建造的中性质谱仪(Neutral Mass Spectrometer)来探测月球水蒸气。LADEE太空船围绕月球运行的时间起于2013年10月,止于2014年4月,在此期间收集了月球大气结构和组成相关的详细信息,实际上相比于“月球大气”,更准确的说法是“月球外层”(exosphere)——笼罩在月球周围的一层稀薄气体。

为了将水从月球的水合层中释放出来,撞击月球的流星体至少必须砸进月球表面以下3英寸(8厘米)的深度。在月球干燥的表层土壤之下,有一个很薄的过渡层,再往下就是水合层,在水合层中,水分子可能会附着于一些土壤和被称作风化层(regolith)的岩石上。

基于对“月球外层”中的水分子测量,研究人员计算出了水合层的含水量:浓度约为200 – 500 ppm(part per million,用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度),即质量百分比约为0.02% - 0,05%;比地球上最为干燥的土壤含水量还要低得多。这一测量结果与早期的研究结果一致。月球大气的含水量如此之低:如果想要收集16盎司(约473毫升)的水,需要对超过一吨的月球风化层土壤进行处理。

由于月球表面的物质结构非常松软,所以即使是很小一块、直径仅半英寸(5厘米)的流星体,也能穿透月球表层土壤,释放出少量的水蒸气喷流。流星体的每一次撞击,都会引起一个小冲击波在月球表面小范围传播,释放出周围土壤中的水。

当流星群撞击月球表面,流星体如雨般降落之时,从水合层中释放出的水就会进入“月球外层”,并分散开来直至布满这层稀薄的月球大气。其中大约三分之二的水蒸气会逃逸进入太空,而剩下的三分之一则会回落到月球表面。

这张信息图显示了月球水循环,依据的是LADEE太空船上中性质谱仪的最新观测结果。在月球表面,干燥的表层土壤之下是水合层,来自流星体的撞击会释放出其中的水分子。被释放进入月球稀薄大气的水分子,一部分逃逸进入太空,另一部分则重新沉积到月球表面的其他地方。这些水分子的一部分来源于太阳风(solar wind)和月球表面的化学反应,另一部分来源于撞击的流星体本身。然而,为了平衡流星撞击损失的水分子,月球水合层需要从更深层的古老蓄水层中补充水分。

由@不白戳/NASA爱好者 汉化。

版权:NASA戈达德/迈赫迪?本纳/杰伊?弗里德兰德(Jay Friedlander)

在月球两极附近陨石坑冷暗区域周围的“冷阱”(cold trap)中,沉积着少量的冰,而上述的发现有助于解释这些冰的存在。月球上已知的大部分水都位于冷阱之中,由于冷阱的温度极低,水蒸气和其他挥发性物质运动到这一区域时,会在很长一段时间(可能长达数十亿年)内保持稳定。流星体的撞击能将水分子送入或带离冷阱。

研究团队排除了一种可能,那就是所有探测到的水都来自流星体本身。

“我们知道一定有一部分水是来自月球的,因为释放出的水量大于撞击月球流星体上的水量总和。”论文的第二作者达娜?赫莉(Dana Hurley)说道,赫莉来自约翰?霍普金斯大学应用物理实验室。

分析表明,流星体撞击释放水的速度,大于太阳风冲击月球表面反应生成水的速度。

“损失的水分子可能拥有着古老的历史,要么可以追溯到月球形成之初,要么在月球历史的早期就已经沉积下来了。”本纳说道。

NASA正与商业和国际合作伙伴一同计划着月球探索的回归项目,以扩大人类在太空中的布局,并找寻新的科学知识和机遇。

参考:

[1]https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/ladee-lunar-water/

[2]https://www.nature.com/articles/s41561-019-0345-3

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