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月壤年龄变成了月球年龄?科学家懵了

月壤年龄变成了月球年龄?科学家懵了
2023年01月19日 19:28 新浪网 作者 石头科普工作室

  2020年12月17日,嫦娥五号携带着1731g月壤返回地球;1731g,对于无数航天人来说,这是梦想的重量。

  2021年10月19日17时,《自然》杂志发表了来自中国科学院地质与地球物理研究所李献华团队、胡森团队以及杨蔚团队关于这份珍贵样品的研究成果,引起了世界性的震动。在这其中,李献华团队通过对月壤的分析表明月壤的年龄为20.3亿年,将月球活动的时间又拉长了8亿年,这一发现也极大地提高了我们对月球乃至整个太阳系的认知程度,不可不谓意义重大。

  不过,最近在关于月壤研究的报告中,一些媒体把它误当成了整个月球的年龄大肆报导并引起了不小的误会,听到这个消息的科学家估计会感到非常迷茫。虽然这应该是一个百密一疏的细节失误,不过还是说明大家对于月壤以及月球的一些基本知识还是非常模糊。当然,这也是我们科普的责任没有到位,鉴于此,那我们就来做一下相关科普吧。

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  月壤是什么?

  按照目前的主流观点,月球形成于约44.25-45.27亿年前,显然这个数字才是理论上月球的年龄。与其他的岩质天体差别不大,月球最初形成时也只是一个实心的球体,并且也曾有过非常活跃的地质活动,存在过广阔的岩浆的海洋。经过了几千万年的冷却,月球表面的岩浆活动逐渐稳定,表面逐渐固化,形成了现在人们观测到的月球地壳。

  在接下来数十亿年的漫长时光中,月球地壳经受着太阳风、高能宇宙射线、陨石撞击等多重洗礼,大块岩石被破坏,形成了大量结构松散的碎石甚至是粉末,它们稀疏地分布在月球表面,这就是月壤(Lunar Soil)

  部分嫦娥五号采样月壤样本。

  (图片来源:Nature, Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane)

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  研究月壤的意义

  月球不止是深夜天空中的光点;对于如今的人类而言,月球是一座巨大的历史博物馆,也是一个巨大的资源宝库。因为月球没有磁场和大气层的屏蔽,月壤长期直接暴露在太阳风和其他宇宙辐射当中,为研究地球附近的空间环境或者太阳活动的长期变化提供了珍贵的实验记录。而月壤中的同位素信息更是数十亿年前月球地质活动的有力见证,一些同位素还可以记录自己“进入月壤之前”的故事,甚至可以反映太阳系形成之初的种种过程。在资源领域,月表富含氦3,这是一种未来有可能使用的清洁能源。

  可以说,月球处处都是宝;而月壤,是人类与月球之间的一扇大门,更是人类认识太阳系的一块敲门砖。当记录了巨量信息的月壤被送进人类的实验室时,它将成为人类离开地球、走向宇宙的关键一步。

  暴露在太阳风、陨石和宇宙辐射中的月球。

  (图片来源:NASA)

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  月壤的年龄

  按照此次的研究成果,嫦娥五号着陆点附近的玄武岩岩体及月壤样品的年龄为20.30±0.04亿岁;我们先来说一下玄武岩

  玄武岩是一种基性喷出岩,也就是火山岩;在月球上,玄武岩是构成月海及月陆表面的主要岩石之一,也是形成时间最晚的月表岩石;其形成过程较为简单,火山活动后滞留于月表的岩浆冷却结晶,即为玄武岩,其结晶温度约为1050℃。玄武岩的形成与火山活动密不可分,可以认为,月表最年轻的玄武岩形成时间与月球上最后的火山爆发时间基本一致。简单来说,当月球停止火山活动时,最后喷发岩石的时间就是火山停止活动的时间。

  图为著名的70017号月球玄武岩,由阿波罗17号登月的宇航员采集。70017由岩浆结晶并形成于约37亿年前,属于比较“年长”的玄武岩。

  (图片来源:NASA)

  此次发现的玄武岩是目前人类已知的,存在于月球表面的最年轻的玄武岩,此前约为28亿岁,这重新标定了月球岩浆活动的结束时间,并且一下推进了8亿年。

  月壤的年龄和月球的年龄可不是一回事,正如你从家门口随便抓一把土,这把土基本不可能是和地球同时形成的,有四十多亿岁的高龄的土;它可能只是去年夏天一楼的大爷从身上搓下来的泥丸子风干后的产物。不过月球上目前没有搓泥丸的大爷,此次研究的月壤来源于月球的地质活动,而这次的研究成果的意义在于说明了月球的火山活动一直持续到了至少20.3亿年前,而非月球形成于20.3亿年前,通俗的讲,就是月球的地壳在这个时候咽气了,而不是月球本体刚出生,二者之间的差别还是非常大的。

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  月壤的年龄是怎么测出来的?

  在此次的研究中,研究人员一共使用了三种技术对月壤进行分析:

  “离子探针超高空间分辨率定年技术”、“超高空间分辨率同位素分析技术”、“纳米离子探针分析技术”

  同位素地球化学国家重点实验室的离子探针。

  (图源:中科院广州地化所)

  看似高大上,实则也确实高端大气上档次。按照原理,实际上的定年技术可以统称为“超高空间分辨率铀-铅定年法”,是一种基于U-Pb法的精确定年技术,下面介绍U-Pb定年法

  敲  黑  板 ! 

  衰变常数,符号λ,表示单位时间内某放射性核素的一个单核发生衰变的概率,其与该核素的半衰期存在以下关系:

  由此可知,对于某一特定核素,其衰变常数为定值。如果对衰变常数不了解,可以用半衰期(放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间)来理解,λ值愈大,放射性元素衰变越快,半衰期越短。他们本质上是差不多的。

  在自然界中,主要存在三种铀的同位素,分别为234U(占总量0.006%)、235U(占总量0.72%)与238U(占总量99.275%),其中234U含量过低,这里只介绍后两者。对于这两种同位素而言,其衰变的最终产物分别是207Pb与208Pb。

  以235U为例,以为Nt现有母体量、N0为初始母体量、t为时间,根据公式:

  有:

  但很明显,235U0是未知量,时间也就不可求,故而,我们需要用其衰变产物207Pb进行一些小小的变换:

  所以,我们就可以直接测定207Pb的含量,以及现存母体的含量235Ut,就可以直接求得时间t的大小了,同理,238U也是这样测定的,公式如下:

  简而言之,通过同时测定206Pb/238Ut207Pb/235Ut,就可以得到相对准确月壤时间t,而且,二者的结果相互印证,使得这种定年法的精度极高,可以达到千分之一;并且,由于铀的半衰期很长,这种方法的测定上限也可以达到惊人的45亿年。

  以上就是U-Pb定年法理论基础的简单介绍,原理并不复杂,而此次实验仪器与分析方法的进步让它发挥出了更强大的作用。它是本次研究成果的功臣之一,却也不如某些媒体所言一样神通广大,那么轻松就把四十多亿年的月球年龄改成了二十多亿年。它只能帮助科学家了解月壤中记录的信息,但是对与新闻报导中的标题党现象没有什么矫正效果。

  科学很重要,科普也很重要啊! 

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