《自然·天文》：这薄薄数米的月壤之中，记录着太阳系45亿年的历史

出品：科普中国

制作：haibaraemily

监制：中国科学院计算机网络信息中心

如今的太阳系，可以算得上是“风平浪静”。八颗行星在各自固定的轨道上运行，大多数小行星和彗星也有自己相对固定的“领地”。

△图片来源：NASA

尽管如今的地球和月球，依然时不时会被天外来客撞上那么几下，但无论是频率还是规模，相比于三四十亿年前可绝对是“毛毛雨”了。

△1998年至今地球上记录下的火流星事件，平均每个月都能发生个2-3次。这些闯入地球大气层的流星体个头通常很小，绝大多数会在大气层中烧毁。其中最大的一次（红点）是发生于2013年2月15日的车里雅宾斯克（Chelyabinsk）撞击事件，肇事小行星据估计直径近20米，造成了一定的危害，无人死亡

图片来源：NASA/JPL-Caltech [2]

但曾经的太阳系，却经历过无比动荡的时期。许多研究认为，外太阳系的四颗巨行星曾经发生过大幅度的迁移，而这些庞然大物的轨道变化又进一步扰乱了内外太阳系中诸多小天体的运动，影响了内太阳系类地行星的演化，最终重塑了整个内外太阳系——这些都是“尼斯模型”（“巨行星迁移”）、“大迁徙”等著名假说为我们构建的早期太阳系图景。

△“大迁徙”假说的一种示例。事实上，这些假说经过了历经十多年也已经发展出了诸多“补丁”、改进和分支

图片来源：NASA

太阳系早期到底在什么时候、经历过什么样的“大动荡”？这是行星科学家们一直想要解开的谜题。然而，我们没有能回到过去的时光机，只能尽力从那段历史留下的遗迹里寻找证据。

近日，以来自桂林理工大学、澳门科技大学和中山大学为首的行星科学家团队从月球土壤的演化之中，不仅发现地月系统遭受的撞击物在35亿年前后发生了变化，也为揭示太阳系早期巨行星的动荡历史提供了新的思路和线索。这一成果在线发表于2020年11月9日的《自然·天文》杂志[2]。

从远在天边的木星、土星等外太阳系巨行星几十亿年前的过往，到近在眼前的月球土壤如今的面貌，这样的“天与地”、“古与今”，是如何联系在一起的？

△素材来源：NASA

撞击“连”天地

是撞击“连接”了天与地。

漫天飞行的小天体们（小行星、彗星、流星体、微陨石等）撞上有着固态表面的更大个的天体，会在大天体的表面留下“证据”。最常见的“证据”就是——撞击坑。

△撞击坑的形成

图片来源：Belin [3]

大到直径数千公里的地球、火星、月球，小到直径仅几百公里的小行星，太阳系几乎所有固态天体上都留下了许许多多撞击坑。

△（左）遍布撞击坑的月球高地；（右）直径约900米的小行星“龙宫”上最大的撞击坑Urashima，直径约290米

图片来源：NASA、JAXA

分析撞击坑的数目和空间分布，是行星科学家们反推小天体运行的特征和变化最常用的手段之一，例如我们去年介绍过的这个研究：《科学》杂志：地球在近几亿年里遭受了更频繁的小行星撞击。（插入文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/OkAmnRiM-tJzklDGZPYUog）这种方式直观、高效，但缺点是：撞击坑太“脆弱”了。

在地球这样地质活跃的星球上，撞击坑很容易被地震、火山、冰川、流水等地质活动所抹去，即使是在月球这样没有什么地质活动的星球上，也很容易被更晚的撞击坑所侵蚀和覆盖。

△（左）被各种地质活动剧烈侵蚀的地球弗里德堡撞击结构（Vredefort dome），形成于20亿年前，直径据估计超过300公里

图片来源：NASA/#STS51I-33-56AA；

（右）先形成的撞击坑被后形成的撞击坑侵蚀和覆盖机制

图片来源：参考文献[4]

即使是月球这样的“撞击坑博物馆”里，年代古老、尺寸又小的撞击坑，也几乎没有机会幸存至今。

相比之下，另一种撞击产物——月球的土壤，在某种程度上成为了更忠实可靠的记录者。

△阿波罗11号登月宇航员巴兹·奥尔德林在月球细腻的土壤层留下的脚印

图片来源：NASA

不同于有大气、水和植物的地球，月球土壤（即月壤，也叫风化层）的物理特性几乎完全是由撞击塑造的：大块的基岩在小天体的撞击之下被不断打碎、混合、翻动，最终在月球表面形成了这层细腻的沙土层。太阳风和宇宙射线也能改变月壤的一些特性，但这种影响更多的是化学成分上的，例如在月壤颗粒中形成羟基和水。（详见：《自然·天文》：这一次，我们在月球的光照区发现了水分子）（文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/jdyGdWlWwnX-jEpApxoW0g）

△（左）月球浅表的垂直分布，最上面那层细腻的表层就是月壤（风化层）

图片来源：参考文献[5] ；

（右）长期的撞击累积形成了月壤

图片来源：参考文献[6]

撞击坑会被侵蚀抹去，但撞击打碎的月壤不会消失。表面越古老的区域，经历的撞击就越多，因此月壤层也就越厚。

月壤增厚太慢了？

那么问题来了：月壤层是以相同的速度增厚吗？举个例子，如果30亿岁的地方月壤有3米厚，那是不是35亿岁的月壤有3.5米厚，40亿岁的地方月壤就应该有4米厚？

那可不会。

1969-1972年间，6次阿波罗载人登月任务带回了月球岩石和土壤样品，通过对这些月球样品进行放射性定年，我们可以知道这几处样品的绝对年龄。同时，其中四次登月任务还通过月震实验直接探测到了采样点地下的月壤厚度。

结果似乎有点不太对劲：年龄跨度长达32-38亿岁阿波罗12、15、17、11号样品，所在区域的月壤始终只有大约4米厚——月壤在这6亿年里似乎几乎没有增厚嘛。

△（左）月壤厚度随年龄线性增厚示意图，但实际并不会这样；（右）实际阿波罗样品的年龄和采样点月壤厚度的关系

图片来源：改编自参考文献[2]

问题在于，实际情况要复杂得多：因为地月系统受到的撞击量是随着时间越来越少的，所以月壤的增厚也理应越来越慢；更何况，即使撞击频率是不变的，随着月壤的增厚，后来的撞击应该越来越难击穿月壤，砸碎月壤下的基岩，进而产生新的月壤了。总之，月壤的增厚本来就是越来越慢的。

实际情况下，月壤的理论增厚速度也是越来越慢的

也就是说，直接对比某两个不同时间段里的月壤增厚速率是不够的，还得把月壤本身增厚越来越慢这个因素考虑进去。

小撞击体变多了

考虑了这些因素之后，是不是就可以和阿波罗样品的四个点对比了呢？且慢！

毕竟，阿波罗月震实验测量的其实只是脚下那几个采样点而已，可能刚好是个月壤特别厚或者特别薄的点，甚至不一定能代表采样区一带的情况。更何况，放眼全月不同区域，月壤厚度和年龄也有这样“不正常”的关系吗？

还真有。

作者团队认真梳理了包括四个阿波罗采样点在内，全月13个不同区域的年龄（撞击坑定年）和月壤厚度，其中最年轻的区域只有8亿岁，月壤厚度中位数0.94米，最古老的区域有39亿岁，月壤厚度中位数4.12米。

△（左）月面13处考察区域；（右）各区域的年龄和月壤厚度之间的关系。红线是实际拟合曲线，黑线是固定撞击频率下的理论曲线

图片来源：改编自参考文献[2]

结果更加amazing。从39亿年前到大约35亿年前这4亿年里，月壤增厚了1米，而从35亿年前至今，月壤增厚了3米。

唉？这么算来岂不是35亿年前增厚的速度更快？冷静！别忘了我们前面说的，撞击量也在不断减少呢。月球上直径1公里以上的撞击坑大多可以保留至今（由直径大于50米的撞击体产生），而从这个尺寸的撞击坑数目来看，39到35亿年前这4亿年里月球受到的撞击量是之后35亿年被撞总和的三倍多！所以按理来说，如果直径小于50米的那些撞击体也这么发挥的话，那35-39亿年前这4亿年里，月壤凭本事可以增厚9米（考虑到月壤增厚是越来越慢的，实际增加的厚度大约应该是7米），而不是仅仅1米。

也就是说，从月球诞生到35亿年前这段时间里，月壤增厚速度没有按照本应有的水平发挥，自己跟自己比——太慢了。

在35亿年前左右应该发生了什么，让月壤增厚速度发生了变化。

如此算来，唯一的解释就剩下了：地月系统受到的撞击大小频率在35亿年前后发生了改变，直径小于50米的小撞击体超常发挥了。更具体地说，是直径不足50米的撞击体里，小撞击体相比于大撞击体变多了，是这些变多的小撞击体“制造”了更多（或者说“额外”）份额的月壤。

△相比于大撞击体，小撞击体变多了

都是“太阳”惹的祸

这小天体们好端端地飞着飞着，为啥突然队伍结构就变了？是巨行星的扰动给内太阳系带来了更多小个头的小天体吗？那倒不是，因为巨行星的带货能力是一视同仁，不分大小的。

但太阳系中还“隐藏”着一股“微弱”的力量，在经年累月地“针对”小个头的小天体们，那就是——阳光。

小行星在自转过程中，表面被阳光照射的时候会吸收热量，不被阳光照射的时候又会辐射出之前吸收的热量，这一进一出的过程中会产生一个微小的“推力”，让顺行的小行星不断远离太阳，让逆行的小行星不断靠近太阳。小行星表面受到的阳光辐射变化还会产生一个热转矩，改变小行星的自转速率和倾角。这两种暗涌的力量合称为“雅科夫斯基-YORP效应”，对直径小于30-40公里的小天体才开始起作用，而且作用效果与天体尺寸成反比，也就是说：对个头越小的小天体，效果越显著。

△雅科夫斯基（Yarkovsky）效应让小行星不断靠近或者远离太阳，YOPP效应会缓慢改变小行星的自转速率和倾角

图片来源：参考文献[7]

当然，阳光的这种“推力”其实是非常微小的，短期来看可以说是不值一提，但架不住经年累月、数百万年甚至数亿年的积累呀。

想象一下，当一群小行星个头都还挺大的时候，阳光还无能为力；而随着小行星的自然演化，个头不再吸积增长，只会随着随机碰撞而不断碎裂变小……那么渐渐地，阳光就会接管其中那些小型小行星的轨道和命运——个头越小的小行星，受到的扰动越大，于是自然而然地，地月系统遭遇的小撞击体就变多了。

大动荡：早还是晚？

通过分析阿波罗任务带回的月球样品，行星科学家们早已发现，月球在大约39亿年前似乎频繁遭受了各种小天体的撞击——这就是月球历史上著名的“后期重度轰击”（Late Heavy Bombardment，简称LHB）事件。当然，如果月球经历过如此暴虐的时期，那至少整个内太阳系也不能幸免，只能有难同当。

然而，如何解读后期重度轰击事件，科学界却有着旷日持久的争议：

1）一方认为，月球在约39亿年前经历了一波突然、短促而剧烈的小天体撞击。

2）另一方认为，月球自约45亿年前诞生以来受到的撞击一直在稳步减少，直到如今。39亿年前确实有过猛烈撞击，但这不过是太阳系从猛烈碰撞逐渐转向宁静过程中的余晖罢了，而阿波罗样品中发现的39亿年前的撞击“尖峰”，或许只是因为采样偏差或者其他原因，但总之，那个短暂的撞击“尖峰”实际上并不存在。

△月球在39亿年前真的存在过撞击“尖峰”吗？

图片来源：参考文献[8]

而这两种针锋相对的观点又与如何推算太阳系早期的巨行星迁移时机有着不可分割的连锁关系。目前的研究认为，如果太阳系早期真的发生过巨行星引起的大动荡，这种动荡发生的时间和LHB之间可以建立起两种可能的关系：

1）巨行星的迁移发生在太阳系形成的后期（约39亿年前），那么在原本区趋于稳定的太阳系中突然产生的大动荡，刚好可以对应39亿年前的月球上突发、短暂而剧烈的密集撞击期。

2）巨行星的迁移发生在太阳系形成的早期（约45亿年前），那么在还不稳定的太阳系早期进一步发生的巨行星迁移，产生的影响就不会看上去太过突然和“违和”，刚好可以对应月球自45亿年前诞生以来受到的撞击一直在稳步减少的观点。

另一方面，根据目前的动力学模拟，动荡发生的时间对之后小天体的大小频率分布又会有着巨大而长远的影响[9]。而随着小行星不可避免地撞击碎裂变小，这些影响最终会传递给更小的撞击体，进而影响到月壤的增厚速率。

如果巨行星引起的大动荡发生于太阳系形成的早期（约45亿年前），那么撞上月球的残余星子（太阳系形成之初原行星盘和碎屑盘中吸积形成的原始天体）和小行星数量都会从45亿年前开始逐渐减少，直至约36亿年前，主要撞击体从残余星子变为小行星，同时小行星的数目趋于稳定，这个过渡期和月壤增速发生变化的时期（约35亿年前）高度吻合。

△大动荡发生的时间对形成月球撞击坑的肇事小天体大小频率的影响。关于月幔的高度亲铁元素（HSE），详见：《自然》杂志：月壳幔缺“铁”之谜，有了新解释！（文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ppfUfoVUuhOe2ZxnZfT4cA）

图片来源：修改自参考文献[9]

而这些支持太阳系早期动荡说的证据，也意味着晚期动荡说所认为的，内太阳系中短暂而剧烈的一段撞击“尖峰”期，其实可能并不存在。

一点后记

时至今日，月球这颗距离我们最近的星球，依然是我们借以认识整个太阳系的窗口和桥梁。而五十多年前的阿波罗月球样品，更是有着迄今为止不可替代和超越的重要价值。

然而，阿波罗样品的局限也始终无法回避：这些样品大多集中在月球正面中低纬度的月海区域，形成年龄集中在42-32亿年前。这意味着我们对月球的认识不管在空间上还是时间上，都是极其不全面的。

唯有采集到更多来自不同地质背景，形成于不同历史时期的月球样品，才能帮助我们真正全面认识月球，认识地月系统，认识整个太阳系的过去。

而这些，将会由接下来的月球采样返回任务嫦娥五号、六号来完成。

让我们一起期待吧。

致谢

本文感谢Planetary Utopia群小伙伴们的审稿和讨论~

参考资料

[1] https://cneos.jpl.nasa.gov/fireballs/

[2] Xie, M., Xiao, Z.,et al. (2020). Change in the Earth–Moon impactor population at about 3.5 billion years ago. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-020-01241-8

[3] Meteorite impacts

https://www.seis-insight.eu/en/public-2/martian-science/meteoritical-impacts

[4] Hirabayashi, M., Minton, D. A., & Fassett, C. I. (2017). An analytical model of crater count equilibrium. Icarus, 289, 134-143.

[5] Hiesinger, H., & Head III, J. W. (2006). New views of lunar geoscience: An introduction and overview. Reviews in mineralogy and geochemistry, 60(1), 1-81.

[6] Lin, H., Lin, Y., Yang, W., He, Z., Hu, S., Wei, Y., ... & Xing, Y. (2020). New Insight Into Lunar Regolith‐Forming Processes by the Lunar Rover Yutu‐2. Geophysical Research Letters, 47(14), e2020GL087949.

[7] Binzel, R. P. (2003). Spin control for asteroids. Nature, 425(6954), 131-132.

[8] Koeberl, C. (2003). The late heavy bombardment in the inner Solar System: Is there any connection to Kuiper belt objects?. Earth, Moon, and Planets, 92(1-4), 79-87.

[9] Morbidelli, A., Nesvorny, D., Laurenz, V., Marchi, S., Rubie, D. C., Elkins-Tanton, L., ... & Jacobson, S. (2018). The timeline of the lunar bombardment: Revisited. Icarus, 305, 262-276.