One small grain of moon dust, one giant leap for lunar studies

早在1972年,美国国家航空航天局(NASA)就派出了最后一批宇航员,执行阿波罗17号(Apollo 17)登月任务。由于我们已经将近50年没有返回月球了,他们收集的每一个月球样本都是珍贵的。

在陨星学的一项新研究中在行星科学领域,科学家们发现了一种利用一粒尘埃分析月球土壤化学成分的新方法。他们的技术可以帮助我们更多地了解月球表面的情况,以及月球上宝贵资源(如水和氦)的形成。

“我们正在一个原子一个原子地分析来自太空的岩石,”论文的第一作者、芝加哥大学(University of Chicago)和菲尔德博物馆(Field Museum)的研究生詹妮卡格里尔(Jennika Greer)说。“因为这样的事情,我们了解月球上的环境是什么样的。这远远超出了宇航员在月球上行走时所能告诉我们的。这小小的谷物保存了数百万年的历史。”


格里尔的分析只需要一粒土壤,大约和人的头发一样宽。在这些微小的颗粒中,她发现了太空风化的产物:纯铁、水和氦,它们是月球土壤与太空环境相互作用形成的。从月球土壤中提取这些宝贵的资源可以帮助未来的宇航员在月球上维持他们的活动。

这种技术被称为原子探针断层扫描,通常被材料科学家用来改进钢铁和纳米线等工业过程。但是它分析微量物质的能力使它成为研究月球样本的一个很好的候选者。

“我们可以把这项技术应用到没有人研究过的样本上,”菲尔德博物馆馆长、论文合著者、芝加哥大学(University of Chicago)副教授菲利普·赫克(Philipp Heck)说。“你几乎肯定会发现一些新的或意想不到的东西。这种技术有很高的灵敏度和分辨率,你可以找到你在其他地方找不到的东西,而且只需要用掉一小部分样本。”

为了研究这种微小的颗粒,格里尔用一束聚焦的带电原子在其表面雕刻了一个微小的、超锋利的尖端。赫克是分析宇宙尘埃和陨石的专家,他说:“我们可以使用‘纳米碳原子法’。“就像木匠塑木一样,我们在纳米尺度上加工矿物。”

一旦样品被放入西北大学的原子探针中,格里尔就用激光将其逐个击毁。当原子飞离样品时,它们碰到了一个探测板。较重的元素,如铁,到达探测器的时间比较轻的元素,如氢,要长。通过测量激光发射到原子撞击探测器之间的时间,该仪器能够确定该位置的原子类型及其电荷。

最后,格里尔重建了三维数据,对每个原子和分子用彩色编码点绘制了一个纳米级的月球尘埃三维地图。

这是科学家们第一次在月球土壤中同时观察到原子的类型和它们的确切位置。

格里尔说:“这对全面鉴定少量珍贵样本非常有用。”“我们有这些非常激动人心的任务,比如隼鸟2号和奥西里斯-雷克斯返回地球,很快就会有无人驾驶的宇宙飞船收集小行星的小碎片。这种技术肯定应该应用到他们带回的东西上,因为它用的材料很少,但提供的信息却很多。”


通过研究月球表面的土壤,科学家们可以深入了解太阳系的一种重要力量:太空风化。太空是一个恶劣的环境,到处都是微小的陨石、来自太阳的粒子流,以及太阳和宇宙射线的辐射。虽然地球的大气层保护我们免受太空风化,但月球和小行星等其他天体没有大气层。结果,月球表面的土壤由于太空风化而发生了变化,使其与构成月球其余部分的岩石有了根本的不同。这有点像蘸了巧克力的蛋卷冰淇淋:外面的表面和里面的不匹配。

通过了解导致这些差异发生的各种过程,科学家可以更准确地预测月球和小行星表面下的情况,因为它们离地球太远了。

由于格里尔的研究使用了纳米级的尖端,她的原始月球尘埃颗粒仍可用于未来的实验。这意味着新一代的科学家可以从同一个珍贵的样本中做出新的发现和预测。赫克说:“50年前,没有人预料到有人会用这种技术分析样本,而且只用了一粒谷物的一小部分。”“宇航员的手套上可能会有数千颗这样的颗粒,这将是进行大规模研究的充足材料。”

格里尔和赫克强调,由于外层空间地形的多样性,宇航员需要带回实物样本。

格里尔说:“如果你只分析月球上某一地点的太空风化现象,那就相当于只分析地球上某一山脉的风化现象。”“我们需要去其他地方和物体来了解太空风化,就像我们需要检查地球上的不同地方一样——比如沙漠里的沙子和山脉里的露头。在实验室里理解这些材料是很重要的,这样我们才能理解我们通过望远镜看到的东西。”

引文:“太空风化月球钛铁矿颗粒表面的原子探针层析成像”。格里尔等人,流星学《行星科学》,2020年2月6日,https://doi.org/10.1111/maps.13443

资助:塔瓦尼基金会、国家科学基金会、海军研究办公室、西北大学、菲尔德博物馆科学与奖学金资助委员会。

-改编自Natalie Dalea的一篇文章,最初由菲尔德博物馆发布。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/one-small-grain-moon-dust-one-giant-leap-lunar-studies

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