中国科学院国家空间科学中心空间天气国家重点实验室刘洋研究员团队基于“嫦娥四号”月球车获得的超高空间分辨率图像和光谱数据，首次在月球表面原位确定了1 岁。碳质球粒陨石撞击物的遗迹不到一百万年。此前的研究曾在阿波罗样本中发现碳质球粒陨石碎片，但从未通过月球表面遥感探测直接观测到碳质球粒陨石的撞击遗迹。
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刘洋团队的研究结果表明，挥发性碳质小行星的撞击仍可能为当前的月球提供水。同时，研究表明，相对年轻的月表物质（如“嫦娥五号”返回的样本）中存在撞击物残留的可能性。对“嫦娥五号”样本中可能存在的这些撞击体残留物进行直接分析，将为地月系统撞击体成分和类型的演化历史提供重要参考，有望进一步约束太阳系轨道动力学的演化。增进对内太阳系撞击历史的了解。近日，相关研究成果发表在《自然天文学》（《自然-天文》）上。
“嫦娥四号”探测器于2019年1月成功降落在月球背面南极-艾肯盆地冯·卡门撞击坑，其搭载的“玉兔二号”月球车随后进行连续巡视探测月球表面。 “玉兔二号”搭载的全景相机和可见-近红外成像光谱仪可以获取超高分辨率月面图像和高光谱数据（1毫米/像素）。 “玉兔二号”在月面巡视过程中，发现了一个小型新鲜撞击坑，并于本月10日对撞击坑进行了详细的光谱探测（图1）。刘洋团队根据全景相机近距离拍摄到的撞击坑图像，发现撞击坑中心存在一些与撞击坑壁和撞击坑外部月壤明显不同的物质（图1b).研究分析了成像光谱仪获得的高光谱图像数据，发现撞击坑中心的疑似“残留物”与撞击坑内外典型的月壤和岩石碎片的光谱表现出明显不同的特征（图1c） ）。一般情况下，月表岩石或月壤的反射光谱会呈现“变红”的特征（即反射率随着波长的增加而增大，表现为光谱曲线整体正斜率），并且月球表面发生的太空事件通常会进一步加剧这种微红色的特征。然而，撞击坑中心的疑似残留物的光谱呈现出“蓝色”特征（即反射率随着波长的增加而降低，整体光谱曲线呈现负斜率）。由此，刘洋团队推测，其中可能混有某种具有蓝色光谱特征的外来撞击物物质。在小行星中，只有碳质小行星的光谱具有蓝色特征。研究收集了大量碳质球粒陨石的光谱，经过仔细比对发现，残留物确实与碳质陨石的光谱非常相似（图2）。基于辐射传输模型的定量光谱反演结果显示，残渣中碳质陨石成分占40wt.%以上。
为了进一步证实上述分析结果，刘洋团队对撞击坑进行了详细的形态分析（图3）。基于“玉兔二号”全景相机获取的立体图像对，研究人员利用摄影测量方法构建了覆盖小陨石坑及附近区域的高精度数字高程模型（DEM）。研究对四个不同方向的高程剖面分析表明，包含中心凹陷时的撞击坑深径比约为1:5，除去中心凹陷后的深径比约为1:10。这远高于该区域（1:17附近）二次撞击坑的深径比，表明该撞击坑应该属于一次撞击坑，而不是由原始撞击产生的溅射物造成的二次撞击再次撞击月球表面。坑。为了进一步验证上述研究成果，刘洋团队利用数值模拟技术对撞击坑进行了研究。结果表明，直径为15厘米的松散撞击体以15公里/秒的速度（月球表面典型撞击体速度）撞击月球表面，可以形成上面观察到的小型撞击坑的形态特征，并且存在是分布在冲击坑中心的残留物。分析结果表明，撞击坑可能是小型碳质陨石撞击后形成的。
撞击输送过程被认为是月球表面水和永久阴影区水冰的主要贡献者之一，而碳质小行星在小天体中水和挥发物含量相对丰富（图4）。在此过程中携带的一些水可能会保留在月球表面。此前在地面进行的高速冲击模拟实验发现，冲击体中高达30wt.%的水可能保留在冲击熔体或残渣中。根据撞击坑退化模型，刘洋团队估算了撞击坑的形成年龄。结果表明，撞击坑应该在一百万年前形成。对碳质撞击遗迹的直接观察表明，类似的碳质陨石遗迹在月球表面可能很常见，并且将出现在嫦娥五号从月球表面相对年轻的玄武岩单元返回的样本中。很有可能会发现类似的撞击遗迹。届时，结合主要微量元素和同位素年代学分析，将更好地确定撞击体的成分和类型的演化。未来，利用更高空间分辨率的遥测光谱数据，将有可能在月球表面更多地方找到类似的撞击遗迹分布，从而进一步加深我们对月球水的来源和分布的认识。
来自夏威夷大学、澳门科技大学、北京大学和香港理工大学的研究人员参与了这项研究。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项、民用航天领域前沿研究以及中国博士后科学基金专项资助的支持。
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图1 “玉兔二号”对巡逻路径上“遇到”的一个新鲜小陨石坑进行了详细的光谱探测。 a.由“玉兔二号”携带的全景相机拍摄的图像拼接而成的全景图。可以看到撞击坑和着陆器的相对位置； b.全景相机拍摄了小型撞击坑的特写镜头。该图像是假彩色图像，撞击坑中心的黄绿色部分是可能的撞击体的残余物，白色框表示成像光谱观察的区域； C。成像光谱观测区提取的典型“残渣”、月壤、岩石碎片的反射光谱； d.成像光谱仪获得的观察区域的图像。 （Yang 等人，2021 年《自然天文学》）
图2 撞击残留物的光谱与阿波罗月球玻璃和碳质球粒陨石的光谱比较。 （Yang 等人，2021 年《自然天文学》）
图3.目标撞击坑的数字高程模型（DEM）和基于iSALE的数值撞击模拟结果。 A。使用全景相机获取的立体图像对构建的撞击坑DEM； b.撞击坑四个不同方向的高程剖面图； C。基于iSALE的撞击坑数值模拟结果，很好地复制了观测到的撞击坑剖面形貌和残渣分布特征。 （Yang 等人，2021 年《自然天文学》）
图4. 月球水的可能来源（照片来自：LPI/David A. Kring）
