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以史为镜!月球坑坑洼洼的表面隐藏着地球和太阳系的历史

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虽然小行星撞击在地球上名声不佳(这是恐龙标志性的公关胜利),但真正带着小行星撞击伤痕继续生活的是我们糟糕的邻居月球。

这是因为地球有各种各样的方式来慢慢地风化撞击留下的撞击坑。这让那些想要更好地了解在太阳系周围飞驰的这些碎片的科学家们感到非常沮丧。因此,一项新的研究利用了坑坑洼洼的月球表面来追溯物质撞击月球和地球的历史,研究发现我们的邻居月球在2.9亿年前的处境要糟糕得多。

密歇根阿尔比恩学院的物理学家Nicolle Zellner没有参与这项新研究,但他说:“这是一项很炫酷的研究,主要研究我们动态的太阳系,它的存在是件好事,这会让人们思考和测试它,所以这很令人兴奋。”

在太阳系范围内,地球和月球的距离足够近,以致于偏离轨道的小行星撞击地球和月球的频率应该差不多。(地球引力越大,可能会吸引更多的小行星,而地球表面面积越大,可能会遭受更多的撞击——但就每平方英里的撞击量而言,地球和月球应该是差不多的。)

科学家们在地球上只发现了大约180个陨石坑,但在月球上则发现了数十万个陨石坑。地球用风、雨、海洋和板块构造把它这些撞击坑痕迹全都抹去了。“月球非常适合研究陨石坑,撞击的一切痕迹都呆在那里,”萨拉·马兹鲁伊(Sara Mazrouei)说,她是一名行星科学家,在多伦多大学(University of Toronto)攻读博士期间领导了这项新研究。

但是为了追溯撞击的历史,科学家不仅需要识别撞击坑,还需要估算撞击坑的年龄。这项工程在月球上要比在地球上困难得多,因为地质学家目前还不能直接采集月球陨石坑的样本。

因此,这项新研究背后的团队采用了一个可能令人非常惊讶的测量方式:在漫长而寒冷的月球夜晚,撞击坑附近的岩石能够在多大的程度上保持热量。这看起来似乎是一个非常随机的测量,但当一个巨大的陨石撞击月球时,它会撞出一个坑,并在周围的环境中散布来自这种材料的巨石,随着时间的推移,这些巨大的岩石会被更小的撞击物撞碎,这些撞击物会把它们击成越来越小的岩石,最终形成尘土风化层。因此,研究小组认为,较老的陨石坑会被更细的岩石所包围,而较年轻的陨石坑会被更大的岩石所包围。

然后,当月球从14天的太阴日过渡到14天的太阴夜时,这些岩石会以不同的速率改变温度。马兹鲁伊说:“我们的想法是大岩石可以在夜间保持热量,而风化层或沙子则会损失热量。随着陨石坑年龄的增长,陨石坑周边的岩石会变得越来越小。”也就是说,它们冷却得更快。

因此,马兹鲁伊和她的同事们研究了美国国家航空航天局(NASA)月球勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter)上一种名为“占卜者”(Diviner)的仪器的热成像数据。研究小组确定了111个已知年龄小于10亿年的陨石坑并分析了它们的热特征,再并利用月球巨石崩解速度的模型估算了它们的年龄。

结果显示了一个有趣的模式:大约2.9亿年前,月球的陨石撞击率激增,撞击坑的发生率似乎翻了一番还多。这可能意味着我们的太阳系在那时发生了重大的变化——研究小组提出,也许是小行星带中的一块巨大的太空岩石发生分裂并且运行的距离离地球和月球更近了。将我们在地球上已知的陨石坑与他们的研究结果进行比较,研究小组发现了一些类似的模式,这表明科学家们已经发现了一个非常具有代表性的陨石坑集合,尽管这个集合很小。

但并不是所有人都相信。普渡大学的行星科学家Jay Melosh没有参与这项新研究,但他说:“这个结果很有趣,但是我认为这些结论的实际支持非常薄弱。”特别是他不相信他们所使用的岩石崩解模型,他认为这个模型没有恰当地解释当岩石变得更小的时候崩解过程是怎样加速的。他没有看到足够的地球撞击坑来支持有力的统计分析;他担心他们的研究样本太小。

“这并不意味着它是错误的,但也不意味着它是正确的——我们是真的不知道,”Melosh说,“不过这是一项比数据支持更进一步的宏伟尝试。”

Zellner明白研究月球陨石坑有多么困难:她研究的是撞击产生的玻璃液滴,这些玻璃液滴是阿波罗号宇航员带回地球的采集样本。但是,即使有了实验室技术,确定这种玻璃的年代仍然是一个挑战,而且这些样本都来自月球表面的一小块区域;而轨道飞行器的数据虽然可以让科学家们覆盖整个月球表面,但同时也有了更大的距离——这两种方法都不完美。

Zellner说:“我们在现有的基础上尽最大努力。这就是科学,我们说出自己的想法,然后我们再找方法来检验这些想法,而这些想法要么能够经受住时间的考验,要么不能。”

为了说明为什么研究月球的撞击史是值得的,三位科学家都给出了令人信服的理由。首先,第一个理由听起来有点自私:陨石撞击地球除了带来陨石坑之外还可能会带来一些负面副作用。

“每个人都对地球上的陨石坑率感兴趣,因为我们不想像恐龙那样灭绝,”Melosh说。那次撞击造成的灾难性后果使当时四分之三的物种都遭到了灭绝,尽管这些物种的灭绝给我们的哺乳动物祖先留下了大量繁衍的空间。“我们应该感谢我们幸运的陨石,但它对地球上的其他所有物种来说都是灾难性的。”该理论认为,如果我们对陨石撞击的影响有足够的了解,下次我们或许就能拯救自己。

对Zellner来说,这种研究还有一种更奇特的吸引力:更多地了解我们自己的太阳系,不仅可以帮助科学家们了解我们的邻居,还可以帮助科学家们了解他们正在不断发现的外星太阳系的塑造过程。

马兹鲁伊将这项工作视为不同太阳系天体可以如何相互启发的一个例子。她的一位合著者已经在期待着BepiColombo任务登陆水星,该任务现在已经装备了一种类似于在月球上使用的仪器,届时将会为撞击坑研究提供另一个角度。

地球是一个很适宜生活的地方,但是科学家们不能在地球拼凑出地球的过去。马兹鲁伊说,要了解我们的星球经历了什么,我们需要研究月球及其原始的坑洞表面。“我们还可以梳理出地球的许多历史。”

这项新研究发表在1月17日的《科学》杂志上。

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