月球晶体研究表明：月球比我们想象的要老4000万年

1972 年，阿波罗 17 号宇航员哈里森·施密特浑身沾满月球尘埃。图片来源：美国宇航局

主要作者 Jennika Greer 正在研究原子探针。图片来源：Dieter Isheim，西北大学。

显微镜下的月球锆石颗粒。图片来源：珍妮卡·格里尔。

月球晶体的微观尖锐尖端。图片来源：珍妮卡·格里尔

　　40亿多年前，当太阳系还很年轻、地球还在生长时，一个火星大小的巨大物体撞向了地球。从早期地球上脱落下来的最大的一块形成了我们的月球。但具体发生的时间仍然是个谜。

　　在《地球化学透视快报》杂志上的一项新研究中，研究人员使用阿波罗宇航员 1972 年从月球带回的晶体来帮助确定月球形成的时间。他们的发现将月球的年龄推后了 4000 万年，至少达到 44.6 亿年。

　　“这些晶体是已知最古老的固体，是在巨大的撞击后形成的。因为我们知道这些晶体的年龄，所以它们可以作为月球年代学的锚点，”菲尔德博物馆的罗伯特·A·普利兹克流星学策展人菲利普·赫克说。极地研究和Negaunee互动研究中心的高级主任、芝加哥大学教授、该研究的资深作者。

　　这一发现是赫克与该研究的主要作者詹妮卡·格里尔(Jennika Greer)合作的成果，当时她是菲尔德博物馆和芝加哥大学的博士生。“我们的合著者张碧东和奥黛丽·布维尔联系了我们，他们需要对这些样本进行纳米尺度的观察，以便充分理解它们，”现在是格拉斯哥大学研究员的格里尔说。

　　研究中使用的月球尘埃样本是阿波罗 17 号宇航员在 1972 年最后一次载人登月任务中带回的。这些尘埃含有数十亿年前形成的微小晶体。这些晶体是月球形成时间的明显迹象。

　　当火星大小的物体撞击地球并形成月球时，撞击的能量融化了岩石，最终形成了月球表面。“当表面像这样熔化时，锆石晶体无法形成和存活。因此，月球表面的任何晶体一定是在月球岩浆海洋冷却后形成的，”赫克说。“否则，它们就会被熔化，它们的化学特征也会被抹去。”

　　由于晶体必定是在岩浆海洋冷却后形成的，因此确定锆石晶体的年龄将揭示月球可能的最小年龄。合著者张毕东之前的一项研究已经提出了这个年龄，但这项最新的研究标志着首次使用一种称为原子探针断层扫描的分析方法，“确定”了这种已知最古老的月球晶体的年龄。

　　“在原子探针断层扫描中，我们首先使用聚焦离子束显微镜将一块月球样本削成非常锋利的尖端，几乎就像一个非常奇特的卷笔刀，”格里尔说。“然后，我们使用紫外激光从尖端表面蒸发原子。原子穿过质谱仪，它们移动的速度告诉我们它们有多重，这反过来又告诉我们它们是由什么构成的。”

　　这项逐个原子的分析是使用西北大学的仪器进行的，显示了锆石晶体内有多少原子经历了放射性衰变。

　　当原子的原子核中质子和中子的不稳定构型时，它会发生衰变，释放出一些质子和中子并转变成不同的元素。例如，铀衰变成铅。科学家们已经确定了这个过程发生需要多长时间，并且通过观察样品中存在的不同铀和铅原子(称为同位素)的比例，他们可以知道它的年龄。

　　“辐射测年法的工作原理有点像沙漏，”赫克说。“在沙漏中，沙子从一个玻璃球流到另一个玻璃球，随着时间的流逝，沙子在下部球中的积累表明了时间的流逝。辐射测年法的工作原理类似，通过计算母原子的数量和它们所转化的子原子的数量因为转化率是已知的，所以可以计算出时间的流逝。”

　　研究人员发现的铅同位素比例表明，该样本的年龄约为 44.6 亿年。因此，月球至少有那么古老。

　　“能够证明你手上的岩石是我们迄今为止发现的最古老的月球碎片，真是太神奇了。它是许多有关地球的问题的一个锚点。当你知道某个东西的年龄时，你就可以知道它的年龄。”可以更好地了解它的历史上发生过什么，”格里尔说。

　　赫克说，了解月球形成的时间非常重要，因为“月球是我们行星系统的重要伙伴——它稳定地球的自转轴，这就是一天有 24 小时的原因，这就是我们有潮汐的原因。如果没有月球，地球上的生命将会有所不同。这是我们自然系统的一部分，我们希望更好地了解它，而我们的研究为整个图片提供了一个小小的拼图。”

　　这项研究由格拉斯哥大学的 Jennika Greer、加州大学洛杉矶分校的 B. 张、西北大学的 D. Isheim 和 DN Seidman、拜罗伊特大学的 A. Bouvier 以及 Field 的 Philipp Heck 共同参与博物馆。

　　更多信息：J Greer 等人，4.46 Ga 锆石锚定月球岩浆海洋年代学，地球化学透视快报(2023)。

　　由菲尔德博物馆提供