美国布朗大学牵头的一个科研团队近日公布最新研究成果：他们开启了自1972年阿波罗17号带回地球后一直被妥善封存的月球岩芯样品，在其中发现了一种前所未见的硫同位素信号，这一结果对月球成因及内部演化的传统认识提出了挑战。研究论文已发表在《地球物理研究杂志：行星》上。
1972年，阿波罗计划最后一批宇航员从月球返回时，将部分采集样品密封保存，希望留待未来技术更先进的科学家进行深入分析。五十多年后，这一设想终于成真。布朗大学地球、环境与行星科学系助理教授詹姆斯·多廷（James Dottin）带领的团队，对阿波罗17号在金牛座-利特罗（Taurus‑Littrow）地区采集的一段月壤岩芯重新分析，在其中识别出异常的硫同位素组成。
这些火山类物质中的硫元素呈现出显著贫化硫‑33（33S）的特征，而33S是硫的四种稳定同位素之一。团队指出，这些数值与通常在地球岩石中测得的硫同位素比例明显不同。在地球和其他行星研究中，元素的同位素比例被视为一种“指纹”，可反映其来源及形成过程：如果两份样品具有相同的同位素图谱，通常意味着它们源于同一“母本”。
长期以来，科学界已经确认地球与月球在氧同位素方面具有高度相似的特征，因此普遍推测月球地幔中的硫同位素组成也应与地球接近。然而本次研究的结果却大相径庭。多廷表示，自己原本也预期会看到类似地球的数值，却最终得到“与地球上任何已知样品都截然不同”的结果，以至于他第一次看到数据时的反应是：“这不可能，我们肯定哪儿做错了。”反复核查后，团队确认实验过程无误，只能接受这是“非常令人意外”的真实信号。
此次分析的样品来自一根所谓“双节取样管”（double drive tube）：阿波罗17号宇航员吉恩·塞尔南（Gene Cernan）和哈里森·施密特（Harrison Schmitt）曾将这根中空金属管插入月面约60厘米，用以获取相对原位、未受太多扰动的月壤剖面。样品返回地球后，美国国家航空航天局（NASA）将其置于氦气环境中密封保存，作为“阿波罗下一代样品分析计划”（ANGSA）的一部分，为未来研究预留“最干净”的月球物质。
近年，NASA通过竞争性遴选，向科研团队开放这批珍贵样品。在布朗大学月球研究联盟LunaSCOPE的支持下，多廷使用二次离子质谱（secondary ion mass spectrometry）技术，对样品中的硫同位素进行了高精度测量——这一手段在阿波罗样品刚被带回时尚不可用。他特别选取那些从岩芯中判定为源自月球深部火山物质的部分，重点寻找在岩石喷发时就已形成、而非后期被其他过程引入的硫相。
对于这些出人意料的33S信号，研究团队目前提出了两种主要解释路径。其一与月球早期的表层环境有关：在稀薄大气中，硫如果在紫外辐射作用下参与特定光化学反应，可能会形成贫化33S的特征。科学界普遍认为，早期月球曾短暂拥有过一层稀薄大气，本次的硫同位素特征或许正是那一时期表层化学过程的遗迹。如果这一解释成立，就意味着这些原本位于表面的硫物质在某种机制作用下被输送进了月幔深处。
多廷指出，这将构成月球早期“表层—内部物质交换”的证据。在地球上，板块构造可以将表层物质俯冲、再循环入地幔，但月球并不存在类似的板块构造体系。因此，如果月球早期的确存在某种能够将表层物质送入内部的机制，这对理解其内部动力过程将非常重要，也极具吸引力。
另一种解释则将视角拉回到月球起源本身。主流理论认为，早期地球曾与一个火星大小的天体忒伊亚（Theia）发生巨大碰撞，抛出的碎片在轨道上聚集，最终形成月球。如果忒伊亚本身具有与地球截然不同的硫同位素组成，那么其物质残留在月幔深处，也可能在今天的月球样品中被检测出来。
目前来看，现有数据尚不足以在两种解释之间作出明确裁决。多廷希望，未来通过与其他月球样品以及太阳系中更多行星体的同位素数据进行系统比对，能够进一步厘清这一“异质硫信号”的真正来源。科研人员认为，深入解析这些同位素指纹，不仅有助于重构月球自身的形成和演化历史，也将为整个太阳系早期物质分布和行星形成过程提供新的线索。
热门跟贴