月亮比我們想像的還要古老

文 / 歐陽永叔
在格陵蘭島迪斯科灣的冰山上方可以看到滿月。研究阿波羅計劃期間帶回的月球樣本的科學家發現，月球地殼的形成時間至少比以前懷疑的要早40萬年。(A full moon is visible above icebergs in Disko Bay, Greenland. Scientists studying lunar samples brought back during the Apollo program have found that the moon's crust formed at least 40 million years earlier than previously suspected.) SHI EN KIM發表在最新一期《國家地理雜誌》(National Geographic) 的<月亮比我們想像的還要古老>( The moon is even older than we thought)說「一項關於月球礦物的新研究捕捉到了月球凝固成岩石的最後階段。」(A new study of lunar minerals has captured the last stage of the moon solidifying into rock.)
鋯石是月球形成後倖存下來的最古老的礦物之一
人類踏上月球已經過去了半個世紀，但他們收集的月球岩石仍然揭示著關於地球鄰居的重要資訊。其中一些材料已經保存了幾十年，以便可以用更先進的科學儀器進行研究 - 現在1972年收集的月球材料表明月球比以前認為的要早數百萬年。通過研究鋯石晶體中捕獲的原子線索，鋯石是月球形成後倖存下來的最古老的礦物之一，科學家們已經確定月球至少有4.46億年的歷史。本周發表在《地球化學觀點快報》雜誌上的這個年齡，以前測量的年齡可以追溯到40萬年前 - 更接近估計4.5億年前太陽系的開始。
確定月球的年齡可以幫助科學家記錄關鍵早期的事件順序。「時間就是一切，」第一作者Jennika Greer說，她是格拉斯哥大學的宇宙化學家，她在芝加哥大學讀研究生時就參與了這個專案。「我們的太陽系已經存在了一段時間，但在最初的一百萬年裡發生了許多真正動態的過程。」
當太陽系年輕時，嬰兒地球沒有月亮
當太陽系年輕時，嬰兒地球沒有月亮，一顆孤獨的行星圍繞著原始太陽旋轉。但地球的早期一點也不平靜。科學家認為，在我們星球歷史的早期，一個火星大小的物體撞擊了原始地球並重新調整了兩個世界。
撞擊的熱量液化了一切——年輕的地球和行星毀滅者——將兩個天體融合為一體。從這個品質中飛出一個較小的熔融岩石球，它落入穩定的軌道並最終冷卻形成月球。
月球的內部凝結成地幔和地殼的不同層。新的礦物從岩石熔體中結晶出來，最後形成的礦物之一是鋯石。這些晶體捕捉了月球凝固成岩石的最後階段，標誌著我們今天所知的天然衛星的開始。
鋯石是科學家最喜歡的礦物，因為它們耐寒
鋯石是科學家最喜歡的礦物，因為它們耐寒。這些微米大小的晶體可以承受數十億年的風化，以保存其誕生的地球化學秘密。它們還在形成鈾同位素時從環境中捕獲鈾同位素，這些同位素充當從鋯石結晶的那一刻開始的計時器。
鈾同位素以可預測的速度衰變成鉛。通過計算形成的鉛原子數量和剩餘的鈾原子，研究人員可以計算出自鋯石從熔融材料硬化以來已經過去了多少時間。
該研究的作者探測了嵌入在17年阿波羅1972號期間收集的月球岩石樣本中的鋯石，並構建了原子的3D地圖。計算鉛同位素的年齡為4.46億年，是迄今為止月球地殼形成的最古老的年齡。
這個年齡之前是由格裡爾的合作者在 2021 年由張比東和奧黛麗·布維耶領導的，但該報告引起了懷疑。批評者指出，鉛原子傾向於遷移以在整個岩石中形成高濃度或低濃度的口袋。根據人們看的地方，他們有可能遇到這些分佈不均勻的鉛點並錯誤地計算鋯石的年齡。
月球形成的時間比這晚得多，例如4億年
為了緩解這些擔憂，Bouvier與Greer的團隊聯繫，再次計算原子數，這次使用離子探針可以以更高的空間解析度對岩石進行採樣，這在以前的研究中使用。更精細的探針將使研究小組能夠識別富集或耗盡鉛原子的納米區域，如果有的話。但他們沒有發現。
「在這顆锆石中，一切都是均勻的，所以我們甚至不必擔心這一點，」研究作者菲力浦赫克說，他是菲爾德博物館和芝加哥大學的宇宙化學家。結果證實，先前測量的4.46億年的年齡是準確的。
「這是一項非常非常好的研究，」亞利桑那州立大學的地球化學家Melanie Barboni說，他沒有參與這項研究。Barboni研究了月球鋯石中的其他同位素，發現月球內部在4.51億年前首次沉降為不同的層，這一事件發生在新研究中捕獲的地殼形成的最後階段之前。
Barboni說，這項新研究與她自己的發現是一致的。「許多論文提出，月球形成的時間比這晚得多，例如4億年，」她補充道。「這些數據顯然是不可能的。
月球和地球的歷史
確定月球凝固的時間為未來的研究人員提供了類比月球演化的參考點。「年表有助於我們將所有內容置於上下文中，」格裡爾說。「然後我們可以開始瞭解正在發生的過程。瞭解在月球形成期間發生了什麼以及何時發生可以幫助解釋為什麼地球的衛星看起來像今天的樣子。
研究月球的真正興趣在於它能告訴我們關於地球的資訊。作為共同起源的天體伴侶，地球和月球的命運是聯繫在一起的。但就像一個狡猾的罪犯一樣，地質活躍的地球喜歡埋葬和銷毀過去事件的證據。月球是一個不那麼具有欺騙性的夥伴——缺乏構造活動意味著月球表面的地質記錄會持續億萬年。
科學家可以查看月球證據，推斷地球上可能也在同一時間發生了什麼。例如，在形成月球的那次致命碰撞中，地球變得無法居住 - 沒有什麼可以在如此災難性的事件中倖存下來 - 它所有的水都可能沸騰，格裡爾說。如果是這樣，那麼水一定在某個時候回到了我們的星球，也許是通過撞擊小行星輸送的，這也會在月球上留下線索。
2025年月球南極新岩石可以説明完善月球起源的故事
雖然這項新研究將月球形成的完成時間定為至少4.46億年，但從行星碰撞到最終硬化的整個過程已經持續了數千年。鋯石代表了月球岩漿海洋的最後遺跡——月球暴力開始的最後一章，也是其更平靜時代的開始。
如果未來的研究人員發現一種更老的鋯石，為月球帶來更老的年齡，赫克和巴博尼都不會感到驚訝。也許美國宇航局的月球藏匿處有一個更古老的晶體，儘管赫克說它們很少見。或者也許還有更多人類尚未踏足的月球上等待被發現。
幾項任務正在進行中，以將月球樣本從以前沒有人去過的地方帶回。2024年，中國將發射一項機器人任務，從月球背面返回樣本，美國宇航局的Artemis III任務的目標是在2025年將人類送上月球南極。在這些地點收集的新岩石可以説明完善月球起源的故事。