科學(xué)揭示｜嫦娥五號月壤實驗室光譜特性

從中國科學(xué)院紫金山天文臺獲悉，該天文臺行星光譜學(xué)研究團(tuán)組近期對嫦娥五號月壤進(jìn)行了實驗室光譜測試與分析，反演了月壤成熟度，揭示了月球年輕玄武巖風(fēng)化和元素特性。相關(guān)研究成果在國際學(xué)術(shù)期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）發(fā)表。

可見光近紅外反射光譜可用于研究月球礦物組成、元素含量、太空風(fēng)化等。過去，由于缺乏年輕的月球樣品，對月球高分辨率、高精度的實驗室光譜的研究局限于較老的阿波羅樣品，而對年輕玄武巖的研究只能依賴遙感光譜。然而，遙感光譜的空間分辨率、光譜分辨率及信噪比均較低，寬譜段存在不同探測器拼接的問題，這制約了礦物的正確識別與地質(zhì)成因解譯。

▲(左)嫦娥五號和阿波羅月壤樣品的實驗室光譜。(右)連續(xù)統(tǒng)去除后的光譜。

▲(左)嫦娥五號樣品實驗室光譜以及著陸點M3光譜。(右)去除連續(xù)統(tǒng)后。

我國嫦娥五號任務(wù)首次返回了年輕玄武巖的月壤樣品，包括鏟取的表層和鉆取的次表層月壤，為研究月壤剖面的變化提供了機(jī)會。同時，對比實驗室光譜和遙感獲得的光譜，將有助于探討月壤樣品與遙感的差異以及樣品的代表性。

研究發(fā)現(xiàn)，與次表層月壤相比，表層月壤的1000nm和2000nm波段深度均更淺即吸收特征更微弱，可見光近紅外連續(xù)統(tǒng)斜率更陡，表明表層月壤比次表層月壤略成熟即暴露在月表的時間更長。在反射率上，實驗室光譜在1500nm和750nm（M3 OP2C1）處的反射率分別比遙感光譜高1.33和1.55倍。在吸收強(qiáng)度上，鏟取樣與鉆取樣Band I 吸收深度分別為12%和16%，高于M3數(shù)據(jù)的10%。

研究顯示，采用兩種方法計算的表層樣品的成熟度指數(shù)（Is/FeO）平均為62，屬于成熟范圍。次表層的Is/FeO平均為46，屬于亞成熟。而遙感光譜獲得的Is/FeO為102，大于樣品，提示樣品比未擾動的原始月壤新鮮很多。這是由于著陸時火箭吹走了最表層成熟的細(xì)顆粒月壤。這與課題組此前基于嫦娥三號玉兔月球車原位光譜的發(fā)現(xiàn)一致。進(jìn)而，研究表明，最表層的太空風(fēng)化速率比垂直翻耕速率更快。

▲(左) Is/FeO vs 750/950。(右) Is/FeO vs OMAT兩種方法反演的光學(xué)成熟度一致。

紫外可見光比值常被用于估算月球TiO2含量。在全月各種玄武巖中，過去由于缺乏年輕玄武巖樣品，月球晚期玄武巖TiO2估算具有不確定性。嫦娥五號樣品為月球晚期玄武巖TiO2含量反演提供了關(guān)鍵定標(biāo)點。