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我对月壤研究的一些思考 精选

已有 4184 次阅读 2021-7-13 12:34 |系统分类:科研笔记

月球是离地球38.4万公里的一个卫星,质量仅有地球的81分之一,半径约是地球的1/4。月球在绕地球公转的同时进行自转,周期都是27.3日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,或“潮汐锁定”。潮汐锁定是太阳系卫星世界的普遍规律,是卫星对行星长期潮汐作用的结果。由于月球质量小,产生不了足够的引力,很难将气体分子大量吸附在月球的表面,所以月球上几乎没有大气层。月球表面每立方米中仅有微弱的气体含量,包括氩原子400亿个;氦原子400亿个;钠原子7000万个;钾原子1700万个;氢原子1600万个,合计一立方米空间内有800亿个气体原子,气体含量不到地球海平面附近气体含量的10-14。月球的磁场也很弱,对太阳风和宇宙射线没有阻碍作用。


北京时间2020年12月1日23时11分,中国嫦娥五号探测器首次于月球正面的吕姆克山脉以北地区着陆;12月3日23时10分,嫦娥五号的上升器携带1731克样本从月球表面起飞,在完成与轨道器的对接和转移工作后,开始返回地球。这1731克珍贵的月球样品,无疑是科学家们研究月球的宝贝,可以帮助我们更加深刻地了解这位地球的忠实伴侣。


基于月亮不同于地球的特点,我们可以通过月壤研究揭示月亮中隐含的科学秘密。从一个核科学工作者的角度,我想可以从如下几个方面开展月壤研究。


1、  解释月球起源的秘密。

长期以来,人们对地球这位忠诚伙伴的起源都是非常关注的,国内外都有很多有关月亮的传说。有关月球的起源,存在一些莫衷一是的学说,比如分裂说、俘获说、碰撞说等等。

  分裂说是最早解释月球 起源的一种假说。早在1898年,著名生物学家达尔文的儿子乔治·达尔文就在《太阳系中的潮汐和类似效应》一文中指出,月球本来是地球的一部分,后来由于地球转速太快,把地球上一部分物质抛了出去,这些物质脱离地球后形成了月球,而遗留在地球上的大坑,就是太平洋。因此,有人也把月球称作“夏威夷月亮”。根据最新的观测结果,潮汐力会使月球每年远离地球3.8厘米。通过运动学反演,可以导出月球和地球分离的时间是40亿年之前。这种学说的反对者认为:如果月球是地球抛出去的,那么二者的物质成分就应该是一致的。而“阿波罗12号”飞船从月球上带回来的岩石样本却与地球样品相差很远。

   俘获说认为,月球本来只是太阳系中的一颗小行星,有一次,因为运行到地球附近,被地球的引力所俘获,从此再也没有离开过地球。还有一种接近俘获说的观点认为,地球不断把进入自己轨道的物质吸积到一起,久而久之,吸积的东西越来越多,最终形成了月球。但也有人指出,像月球这样大的星球,地球恐怕没有那么大的力量能将它俘获。

   碰撞说认为,太阳系演化早期,在星际空间曾形成大量的“星子”,星子通过互相碰撞、吸积而长大,合并形成一个原始地球,同时也形成了一个相当于地球质量0.14倍的天体。这两个天体在各自演化过程中,分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。由于这两个天体相距不远,因此相遇的机会就很大。一次偶然的机会,那个小的天体以每秒5千米左右的速度撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态,使地轴倾斜,而且还使那个小的天体被撞击破裂,再通过吸积而结合起来,形成全部熔融的月球。

  通过对本次获得的月壤样品的同位素含量分析,特别是长寿命放射性核素含量的分析,可以对获得月球土壤同位素组分,及其形成年代,为研究月球起源提供关键数据支撑。


2、  追踪近地超新星爆发历史

      科学家通过分析在海洋沉积物中的60Fe放射性核素的遗迹,可以追踪到3百万年和7百万年前的超新星爆发事件。

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沉积样品中的60Fe含量时间的变化


       月球环境没有空气流通,没有风霜雪雨,它的背面也没有地球的遮挡,就像一台巨大的望远镜,忠实地记录着超新星喷射物的成分和着陆时间。因此,通过测量不同深度的超新星相关核素(60Fe,244Pu等)的含量,可以追踪近地超新星爆发的历史。


3、26Al起源之谜研究

      上世纪八十年代,随着伽马射线探测器进入太空,人们很快发现银河系中,特别是银盘附近存在大量的1.809 MeV的伽马射线。经过分析发现,这条伽马射线为26Al基态通过β+或轨道电子俘获衰变到26Mg时放射出来的。随着观测结果的深入,科学家们获得了这条伽马射线在银河系中的分布地图。根据这条伽马射线的通量分析,银河系中大约存在3倍太阳质量的26Al。我们知道,26Al的半衰期仅有0.72百万年,和太阳系同时产生的26Al早已在宇宙的长河中衰变殆尽。那么,银河系中如此多的26Al又是如何,在何处生产出来的呢?

 

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银河系中26Al的分布地图


       现有的研究结果表明:25Mg(p,γ)26Al反应是天体环境中产生26Al的主要途径。我们课题组2021年1月1日在锦屏深地实验室,利用2.4公里的山体屏蔽克服宇宙射线的影响,准确获得了25Mg(p,γ)26Al反应的天体物理反应率。尽管该反应率比现有结果有所增大,但还不足以解释银河系中的26Al来源之谜。

 

       在对月壤的初步分析中,也发现了一定量的26Al。这些26Al从何而来,与银河系中的26Al起源又有什么关联?通过精细地分析月壤样品中的镁、铝和硅同位素的含量,追踪26Al产生的历史,或许能为我们揭开星际26Al起源之谜的神秘面纱。




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