Ученые проясняют происхождение лунного металлического железа

Характеристики ULnpFe⁰ на концах шариков из ударного стекла. Автор: Institute of Physics

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, проф. Шэнь Лайцюань, Бай Хайян и др. Группа профессора Ван Вэйхуа из Института физики Китайской академии наук прояснила соответствующие эффекты облучения и воздействия на образование наночастиц металлического железа (npFe ⁰).

Основываясь на точных наблюдениях за стеклянными шариками, возвращенными миссией «Чанъэ-5», они показали, что образование мелких и крупных npFe ⁰ с отчетливыми оптическими эффектами независимо контролируется облучением солнечного ветра и воздействиями микрометеоритов.

npFe ⁰ широко распространены на Луне, и их накопление со временем меняет оптический спектр лунной поверхности. Изменение цвета поверхности во многом зависит от размера npFe ⁰: меньший npFe ⁰ приводит к покраснению спектров отражения, а больший npFe ⁰ вызывает потемнение.

Возникающие в результате изменения цвета значительно усложняют исследования дистанционного зондирования, создавая долгосрочные загадки для астрономов. Более того, до этого исследования происхождение npFe ⁰ разных размеров не было хорошо понятно.

npFe ⁰ известны как продукты космического выветривания, включающего в себя два основных агента: удары микрометеоритов и облучение солнечного ветра. Тем не менее, конкретная роль этих двух агентов в образовании npFe ⁰ разного размера остается неясной, что затрудняет наше понимание цветовых вариаций лунной поверхности или астероидов в сложных космических условиях.

Распределение размеров трех различных типов npFe⁰. Автор: Institute of Physics

«Мы обнаружили, что стеклянные шарики в лунном грунте Чанъэ-5 могут сохранять частицы железа разных размеров, примерно от 1 нанометра до 1 микрометра», — сказал профессор Бай.

«Как правило, трудно отличить npFe ⁰ различного происхождения, наблюдаемое вместе в отдельных образцах. Здесь мы использовали особенность вращения шариков ударного стекла, чтобы четко различать npFe ⁰, образовавшийся до и после затвердевания основных стеклянных шариков».

В этом исследовании ученые обнаружили многочисленные дискретные крупные частицы npFe ⁰ размером в десятки нанометров, которые имели тенденцию концентрироваться к краям стеклянных шариков. Этот эффект концентрации может привести к тому, что сверхбольшие npFe ⁰ будут выступать из конечностей.

Такая особенность в точности согласуется с явлением миграции, возникающим во вращающихся стеклообразующих каплях, вызванным сверхскоростными воздействиями. В таких сценариях Fe0 с более высокой плотностью, чем матрица, мигрирует к краям под действием центробежных сил, что указывает на то, что эти большие ^npFe0 образовались в ударных расплавах до затвердевания стеклянных шариков.

Напротив, они также обнаружили большое количество мелких частиц npFe ⁰ размером в несколько нанометров, плотно заселяющих поверхности стеклянных шариков. Эти небольшие npFe ⁰ демонстрируют характеристики распределения, аналогичные повреждению везикул, вызванному облучением.

В направлении глубины стеклянных шариков как мелкие npFe ⁰, так и везикулы постепенно уменьшаются в размере и количестве, что соответствует уменьшению количества имплантированных ионов солнечного ветра с увеличением глубины.

Более того, когда размер лунных зерен менее чем в два раза превышает глубину проникновения ионов солнечного ветра, небольшой npFe ⁰ может полностью заполнить крошечные зерна. Эти результаты подчеркивают, что излучение солнечного ветра является основной причиной наблюдаемого малого значения npFe ⁰.

Схема космического выветривания на Луне и соответствующее происхождение npFe⁰. Автор: Institute of Physics

Исследование показывает, что облучение солнечного ветра и воздействие микрометеоритов играют важную, но разную роль в образовании npFe ⁰. Независимый рост малых и больших npFe ⁰, обнаруженный в этом исследовании, хорошо согласуется со многими измерениями дистанционного зондирования, предоставляя ценную информацию для понимания и прогнозирования оптических свойств безвоздушных тел, подвергающихся воздействию различных космических сред.

Больше информации: Laiquan Shen et al, Separate effects of irradiation and impacts on lunar metallic iron formation observed in Chang'e-5 samples, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02300-0

Источник: Chinese Academy of Sciences