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科学家们错了:微小晶体揭示月球比之前认为的要古老数百万年

2023-12-4 45 12/4

一项利用先进的原子探针断层扫描技术进行的新研究确定,地球的月球已有 44.6 亿年的历史,比以前的估计早了 4000 万年。这一发现是通过分析阿波罗17号的月球晶体得出的,它使人们对月球的形成及其对地球环境的影响有了更深入的了解。

西北大学的科学家参与了对宇航员在阿波罗17号任务中采集的月球样本的分析。通过分析 1972 年阿波罗 17 号任务中收集的月球微小晶体,科学家们修正了月球的估计年龄。以前认为月球的年龄为 44.25 亿年,新的分析表明月球的年龄约为 44.6 亿年,比以前的估计年龄大 4000 万年。

在菲尔德博物馆和格拉斯哥大学研究人员的领导下,西北大学的原子探测断层扫描设备使这项研究成为可能,它"确定"了样本中最古老晶体的年龄。通过揭示这些隐藏在月球尘埃中的锆石晶体的年龄,研究人员得以拼凑出月球形成的时间表。

这项研究最近发表在《地球化学展望通讯》(Geochemical Perspectives Letters)杂志上。

太空研究的技术演变

西北大学的迪特尔-伊斯海姆(Dieter Isheim)是这项研究的合著者之一,他说:"这项研究证明了自1972年最后一次载人月球任务返回地球以来,我们取得了巨大的技术进步。这些样本是在半个世纪前被带到地球的,但直到今天我们才拥有必要的工具来进行必要水平的微观分析,包括原子探针层析成像"。

科学家们错了:微小晶体揭示月球比之前认为的要古老数百万年

显微镜下的月球锆石晶粒。资料来源:Jennika Greer

通过逐原子分析,研究人员能够计算出锆石晶体中有多少原子发生了放射性衰变。当一个原子发生衰变时,它会脱落质子和中子,转化成不同的元素。例如,铀会衰变成铅。由于科学家已经确定了这一过程需要多长时间,因此他们可以通过观察铀原子和铅原子的比例来评估样本的年龄。

该研究的资深作者、菲尔德博物馆的菲利普-赫克(Philipp Heck)说:"放射性测年的原理有点像沙漏。在沙漏中,沙子从一个玻璃球流到另一个玻璃球,时间的流逝通过沙子在较低玻璃球中的积累来表示。辐射测年的原理与此类似,通过计算母原子的数量和它们转化成的子原子的数量。由于转化率是已知的,因此可以计算出时间的流逝。"

Isheim 是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程系的研究副教授,同时也是西北大学原子探针断层扫描中心 (NUCAPT) 的负责人。麦考密克材料科学与工程荣誉教授、NUCAPT 创始主任大卫-塞德曼(David Seidman)也是这项研究的合著者。赫克是菲尔德博物馆罗伯特-普利兹克陨石和极地研究馆馆长、内高尼互动研究中心高级主任和芝加哥大学教授。格拉斯哥大学研究副教授 Jennika Greer 是这项研究的第一作者。研究开始时,她还是赫克实验室的博士生。

科学家们错了:微小晶体揭示月球比之前认为的要古老数百万年

主要作者詹妮卡-格里尔正在使用原子探测器。图片来源:西北大学迪特尔-伊斯海姆(Dieter Isheim)

月球的形成年代

40 多亿年前,当太阳系还很年轻,地球还在成长的时候,一个火星大小的巨大天体撞上了地球。巨大的块体脱离地球形成了月球,撞击的能量熔化了最终成为月球表面的岩石。

赫克说:"当月球表面像那样熔化时,锆石晶体就无法形成和存活。因此,月球表面的任何晶体一定是在月球岩浆海洋冷却后形成的。否则,它们就会被融化,其化学特征也会被抹去。"

由于晶体一定是在岩浆海洋冷却后形成的,因此确定锆石晶体的年龄将揭示月球的最小可能年龄。但是,为了确定月球的最大可能年龄,研究人员求助于西北大学的原子探测层析成像仪器。

格里尔说:"在原子探针层析成像中,我们首先使用聚焦离子束显微镜将一块月球样本削成非常锋利的尖端,就像一个非常漂亮的削铅笔器。然后,我们使用紫外线激光将原子从尖端表面蒸发出来。原子通过质谱仪,它们移动的速度告诉我们它们有多重,进而告诉我们它们是由什么构成的。"

在确定了样本中的材料并进行了辐射测定之后,研究人员得出结论,最古老的晶体大约有 44.6 亿年的历史。这意味着月球至少有这么古老。

赫克说,了解月球形成的时间非常重要,因为"月球是我们行星系统中的重要伙伴。它稳定了地球的自转轴。它是一天有 24 小时的原因。它是我们拥有潮汐的原因。没有月球,地球上的生命将面目全非。这是我们想要更好地了解的自然系统的一部分,而我们的研究为整个画面提供了一块小小的拼图"。