月球样本氧同位素研究:晚期重轰炸陨石或难成地球水主要来源

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长期以来,关于地球水的来源,科学界普遍存在一种观点:在约41亿至38亿年前的晚期重轰炸阶段,小行星与彗星的高频撞击将水等挥发性物质带入内太阳系行星。该理论认为,靠近太阳的行星难以在早期保留水等挥发性元素。

不过,基于阿波罗任务带回的月球岩石与月壤样本,一项新的同位素研究对上述假设提出限制。美国大学空间研究协会(USRA)的研究人员对大量月球样本进行了高精度三重氧同位素分析,认为晚期重轰炸期间的陨石撞击只能为地球提供极少量的水。研究由USRA月球与行星研究所(LPI)及新墨西哥大学(UNM)的Tony Gargano博士牵头。

研究团队指出,地球由于板块构造持续更新地表,早期撞击的地质证据难以保存;相比之下,月球缺乏大气且长期缺少显著地质活动,使其自晚期重轰炸以来的撞击记录得以保留。过去数十年,科学家常借助亲金属元素等指标追溯撞击历史:这类元素在陨石中含量较高,但在月球硅酸盐地壳中相对稀少。

研究人员表示,月壤在撞击过程中可能发生熔化、汽化并反复重塑沉积物质,同时地质过程也可能造成金属与硅酸盐分离,使得重建撞击体类型与输送规模更为困难。Gargano称,月球月壤是少数仍可用于解读数十亿年撞击“时间综合记录”的材料之一,而氧同位素“指纹”有助于从多次熔化、汽化与重塑的混合物中提取撞击体信号,并将阿波罗样本作为连接月球与更广泛太阳系比较的参考点。

与依赖亲金属元素的路径不同,该团队将重点放在构成岩石主要质量分数的氧元素同位素上。研究称,三重氧同位素可用于区分两类容易混淆的效应:撞击物质的加入,以及撞击引发汽化对同位素组成的影响。通过测量月球样本中氧同位素的偏移,团队推断月壤中至少约1%的质量与撞击相关,可能来自部分汽化的碳质(C型)陨石。

在此基础上,研究设定了撞击体向地月系统输送水的上限,并认为自晚期重轰炸以来,撞击带来的水量仅占地球现有水量的一小部分。研究同时列举了地球水的规模:尽管海洋覆盖地表超过71%,水仅约占地球总质量的0.023%,但对应质量仍约为1.46×10²¹公斤(约1.6百千万亿吨)。研究认为,陨石可能只贡献了其中很小一部分,但其对月球的水贡献仍可能具有重要意义。

NASA ARES部门联合作者Justin Simon博士表示,研究结果并非否定陨石带来水的可能性,而是指出月球长期保存的记录使“晚期陨石输送成为地球海洋主要水源”的可能性非常小。

文章还提到,月球水资源目前主要集中在永久阴影区(PSRs),多位于极地重陨坑区域。NASA及其他航天机构——包括欧洲航天局(ESA)、中国载人航天工程办公室(CMSA)和俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)——计划在南极-艾特肯盆地建立栖息地。研究称,便捷获取水冰对人类长期驻留至关重要,可用于饮用、作物灌溉、辐射防护,并作为制造液态氢和氧推进剂的原料。

研究团队成员来自新墨西哥大学稳定同位素中心、陨石学研究所、斯克里普斯海洋研究所、NASA喷气推进实验室(JPL)以及NASA约翰逊航天中心天体材料研究与探索科学部(ARES)。相关成果已发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。


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