虽然我们的月球没有空气,但研究表明,月球表面存在化学成分为三化二铁(Fe2O3)的赤铁矿,这是一种通常需要氧气才会形成的铁锈形式,这让科学家感到困惑不已。

月球表面“生锈了”,而参与反应的氧气和水来自哪里呢?

1973年,NASA的水手10号(Mariner 10)所观测到的月球,在当时,研究还没有在月球没有空气的表面上发现任何生锈的迹象。
图片来源:NASA/喷气推进实验室/西北学(Northwestern University)

长期以来,以铁锈文明的是火星。火星表面上的铁,再加上古代曾经存在过的水和氧气,赋予了火星红色的外表。但是,科学家最近惊讶地发现,有证据表明表面没有空气的月球也“生锈”了。

《科学进展》(Science Advances)上的一篇新论文回顾了印度空间研究组织(IndianSpace Research Organization,ISRO)的月船一号(Chandrayaan-1)轨道探测器的数据,这架轨道器在2008年对月球表面进行调查时发现了水可能存在的证据,并绘制出了多种矿物质位置图。论文的主要作者、来自夏威夷大学(University of Hawaii)的李帅(音译,Shuai Li)研究后发现,月船一号上的月球矿物质测绘仪(Moon Mineralogy Mapper,M3)的数据中,存在着大量水的迹象。月球矿物质测绘仪由美国航空航天局(NASA)位于南加州的喷气推进实验室(Jet Propulsion LaboratoryJPL)所建造。水与岩石相互作用会产生多种矿物质,M3检测到的光谱,或者说从月球表面反射的光,表明月球两极的组成与其余部分完全不同。

月球表面“生锈了”,而参与反应的氧气和水来自哪里呢?

印度空间研究组织月船一号轨道飞行器上的月球矿物制测绘仪(M3),合成了上面这张图像,图中的蓝色区域显示,水集中在月球的两极。仔细分析两极的岩石光谱后,研究人员发现了赤铁矿,也就是一种铁锈形式的迹象。
图片来源:ISRO/NASA/加州理工-喷气推进实验室/布朗大学(Brown University)/美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)

对于这一点,李帅非常感兴趣,他将目光集中到月球的两极光谱。尽管富含铁的岩石在月球表面四处散布,但在发现月球两极的光谱数据与赤铁矿如此匹配时,他仍然感到惊讶不已。赤铁矿是铁暴露在氧气和水中产生的一种铁的氧化物,也就是铁锈的一种形式,但在月球上应该是不会有氧气或者液态水的,它究竟是怎么生锈的呢?

月球金属之谜

要解开这个谜团,一切还得从太阳风(solar wind)说起。太阳风是从太阳上层大气中射出的超高速等离子体带电粒子流,以气为主要成分轰击着地球和月球。氢气的存在会让赤铁矿难以形成,因为它是一种还原剂,在化学反应中通常会被相互作用的原子夺去电子,而这恰恰与产生赤铁矿的反应原理相反:为了让铁生锈,需要有一种氧化剂夺去铁原子的电子。对于地球而言,我们拥有强大的地球磁场将太阳风中的氢气隔绝在外,但月球却没有这样的保护罩。

“这令人非常困惑,”李帅表示,“月球的环境非常不利于赤铁矿的形成。”因此,他找到了JPL的科学家阿比盖尔·弗雷曼(Abigail Fraeman)和维维安·孙(Vivian Sun),帮他梳理分析M3的数据,并确认他真的在月球两极发现了赤铁矿。

“一开始的时候,我是完全不相信的态度。考虑到月球的环境,它(赤铁矿)是不应该存在的。”弗雷曼说,“但是自从我们在月球上发现了水之后,人们就一直在猜测,如果水与岩石发生过反应,那么月球上可能存在着比我们所想象的更多的矿物质。”

在仔细的观察和分析后,弗雷曼和孙确信:M3的数据的确表明月球两极是存在赤铁矿。孙说:“最后,光谱数据明确的体现了赤铁矿的存在,而至于它为什么存在于月球表面,我们还需要一个合理的解释。”

三种关键成分

他们的论文提供了一个“三管齐下”的模型,来解释在月球环境中为什么能形成铁锈。

首先,尽管月球没有自己的大气层,但实际上它还是拥有微量的氧气,这些氧气的来源正是我们的地球。地球的磁场就像一个风袋一样,在地球后侧有较长的拖拽。2007年的时候,日本的辉夜号(Kaguya,又称辉夜姬号、月亮女神号)轨道飞行器发现,来自地球上层大气的氧气可以顺着这种延伸的磁尾飘荡出去,这是众所周知的,地球上的这些氧气可以飞行239 000英里(385 00千米)到达月球。

这一发现与M3的数据相吻合,M3的数据表明,相比背对地球的那一侧,在月球面向地球的一侧所发现的赤铁矿数量更多。李帅表示:“这表明地球的氧气可能在推动着赤铁矿的形成。”在过去数十亿年间,月球一直在一点一点地远离地球,所以当两者在遥远的过去相距较近时,可能有更多的氧气跃过了这个距离

还有第二个需要解决的问题,那就是太阳风输送来的所有这些氢气。作为还原剂,氢气应该会防止氧化反应的发生,但地球磁场的磁尾在这里也起到了中介作用。磁尾部分除了将氧气从我们的星球运送到月球之外,还在月球饶轨运行的某些时期阻挡了99%以上的太阳风,特别是在月相满月的时候,这就为月球打开了特定的周期性窗口,让铁锈能得以形成。

谜团的第三个部分则是水,尽管月球的大部分地方都完全干涸了,但在月球另一侧被阴影覆盖的月球陨石坑中,科学家们发现了水冰。然而,赤铁矿的发现地点却又离发现水冰的地方很远。李帅认为,相比在月球表面发现的水分子,更可能是定期飞掷到月球上的快速移动的尘埃粒子释放了月球表面含有的水分子,在冲击到月球表面时与土壤中的铁混合。一方面,撞击产生的热量可以提高氧化反应的速度;另一方面,这些尘埃粒子本身可能也携带了水分子,随着撞击穿入月球表面,从而与铁混合。在恰好合适的时机,也就是当月球因地球磁尾的阻挡受不到太阳风的侵扰且存在氧气时,可能就会发生形成赤铁矿的化学反应。

要确定水和岩石之间相互作用的确切方式,还需要更多的数据。这些数据还可能有助于解释另一个谜团:为什么在月球的另一侧仍然有少量的赤铁矿形成,毕竟地球的氧气在理论上并不能到达月球背面。

更多的月球探索将带来更多月球科学

弗雷曼说,这种模型还可以解释在其他没有空气的星体(如小行星)上发现的赤铁矿:“可能是少量的水和尘埃颗粒的撞击让这些星体中的铁生锈了。”

李帅指出,这是月球科学一个激动人心的时刻。自上一次阿波罗(Apollo)计划登月以来的将近50年后,月球再次成为了一个主要的探索目的地。作为阿耳忒弥斯(Artemis)计划的一部分,NASA计划从明年开始向月球发射数十种新的仪器和技术实验,然后从2024年开始进行人类探月任务。

JPL还为名为“月球开拓者号”(Lunar Trailblazer)的轨道器建造了M3的新版本,其中一个仪器是高分辨率挥发物和矿物质月球测绘仪(High-resolutionVolatiles and Minerals Moon Mapper,HVM3),它将绘制月球上永远处在阴影中的陨石坑内的水冰位置图,或许还能揭示有关赤铁矿的新细节。

“我认为这些结果表明,太阳系中发生的化学过程比我们此前意识到的还要复杂。”孙说道,“我们可以通过在未来发射前往月球的任务,来检验这些假设,从而更好地理解它们。”

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-moon-is-rusting-and-researchers-want-to-know-why

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