太陽日冕層時刻在噴高速帶電粒子流，形成太陽風(fēng)。太陽風(fēng)與地球磁層相互作用會引發(fā)極光，強烈時還會干擾無線電通信及電網(wǎng)系統(tǒng)。
歷史上，太陽風(fēng)是如何揮發(fā)的？科學(xué)家嘗試用月壤來回答這個問題。因為月壤長期直接暴露于太陽風(fēng)中，是研究其揮發(fā)歷史的“天然檔案”。然而，月球始終以同一面朝向地球，太陽風(fēng)在月球正背面的注入是否會存在差異？由于缺乏來自背面的樣品，這一猜想一直無法得到實證檢驗。
現(xiàn)在，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士后張徐航在導(dǎo)師賀懷宇研究員指導(dǎo)下，聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和嫦娥七號揮發(fā)分載荷團(tuán)隊，利用中國國家航天局提供的嫦娥六號月壤樣品開展了系統(tǒng)的稀有氣體同位素分析。研究發(fā)現(xiàn)，月球正面和背面接收到的太陽風(fēng)的確存在系統(tǒng)性差異，且地球磁層在其中扮演了“調(diào)速器”的角色。相關(guān)研究7月15日在線發(fā)表于《自然—地球科學(xué)》。
尋覓“蹤跡”
太陽風(fēng)是太陽系內(nèi)揮發(fā)分傳輸?shù)暮诵妮d體。如何從月壤的“檔案”中尋找太陽風(fēng)的蹤跡呢？研究團(tuán)隊瞄準(zhǔn)了五種稀有氣體——氦、氖、氬、氪、氙。“這些氣體具有化學(xué)惰性，是追溯太陽風(fēng)注入過程和后期改造的忠實示蹤劑。”論文第一作者張徐航對《中國科學(xué)報》說。
此前，科學(xué)家基于阿波羅、月球號和嫦娥五號正面樣品的研究，已建立起月壤揮發(fā)分主要源于太陽風(fēng)注入以及隕石、彗星撞擊的基本框架。
然而，由于月球具有二分性——正面朝向地球，會反復(fù)穿越地球磁層，背面則完全不受地球磁層遮蔽。這種空間特性對太陽風(fēng)注入造成的影響并不得而知。嫦娥六號任務(wù)首次從月球背面南極-艾特肯盆地帶回的1935克月壤，為解開這一謎題提供了歷史契機。
研究團(tuán)隊采用分步加熱和全熔激光提取技術(shù)，精細(xì)測定了五種稀有氣體的濃度與同位素組成，并著重對比了來自嫦娥五號的月壤正面樣品與嫦娥六號的月球背面樣品中重稀有氣體氪和氙的釋放規(guī)律。
結(jié)果顯示，嫦娥六號月壤的氖同位素組成呈現(xiàn)出極為獨特的特征——其氖20、氖22比值平均為11.34±0.22，遠(yuǎn)低于所有已知的月球正面樣品，極為接近理論上的強烈分餾太陽風(fēng)端元（~11.2）。這表明月球背面經(jīng)歷了更為極端的分餾過程，使其富集重同位素，僅用傳統(tǒng)的濺射、擴(kuò)散或侵蝕模型已無法完全解釋，暗示背面可能存在更為復(fù)雜的同位素分餾機制或一個未被發(fā)現(xiàn)的低氖同位素端元。
更關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)來自重稀有氣體氪和氙的釋放行為。在分步加熱實驗中，嫦娥六號樣品中太陽風(fēng)來源的氙主要在高溫階段釋放，呈單峰分布；而嫦娥五號樣品則出現(xiàn)明顯的低溫和高溫雙峰釋放模式。由于氪和氙在月壤顆粒中幾乎不發(fā)生擴(kuò)散丟失，其釋放溫度直接反映原始的注入深度——嫦娥六號背面樣品的深部釋放特征表明，太陽風(fēng)在月球背面的注入深度整體大于正面，即背面的太陽風(fēng)粒子具有更高的入射能量。
地球磁層在“調(diào)速”
為什么同一顆月球的兩面會接收到不同能量的太陽風(fēng)？研究團(tuán)隊論證認(rèn)為，是地球磁層在“調(diào)速”。當(dāng)月球圍繞地球運行并穿越地球磁鞘時，原本約每秒400公里的“正常”太陽風(fēng)會被顯著減速至約每秒200公里。“這部分慢速太陽風(fēng)只掃過月球正面，導(dǎo)致正面月壤接收到大量減速粒子，注入深度較淺；而月球背面始終背對地球，完全暴露在未經(jīng)減速的太陽風(fēng)中，因此注入深度更深。”論文通訊作者賀懷宇解釋說。
定量估算表明，在嫦娥五號著陸點，受慢速太陽風(fēng)影響的時間約占全部太陽風(fēng)照射時間的25%，而嫦娥六號背面著陸點則完全不受此效應(yīng)影響。
離子注入模擬程序SRIM模擬進(jìn)一步證實了這一機制。速度約為每秒200公里的太陽風(fēng)粒子注入深度與正面淺層釋放特征一致，并且在該速度下太陽風(fēng)、隕石和彗星等組分能夠有效混合，與嫦娥五號樣品中觀察到的混合特征完全吻合。
受地球磁層影響，月球正面和北面接收到的太陽風(fēng)“風(fēng)速”存在顯著差異。地質(zhì)地球所供圖
這項研究首次利用月球背面樣品，實證了地球磁場對太陽風(fēng)到達(dá)月表的“調(diào)速”效應(yīng)，并且這種效應(yīng)永久性地保留在月壤稀有氣體的深度分布和同位素指紋中。研究還提示，月壤中的重稀有氣體有可能成為重建過去地球磁層與太陽風(fēng)相互作用邊界的“化石記錄”，為利用地球古強度數(shù)據(jù)推測磁層演化提供了新思路。
“日-地-月系統(tǒng)內(nèi)的相互作用遠(yuǎn)比我們過去理解的復(fù)雜。”賀懷宇說，“而月球正面和背面的稀有氣體對比，正為我們揭開這些古老聯(lián)系的全新維度。即便是最熟悉的天體，依然隱藏著等待人類發(fā)現(xiàn)的深層奧秘。”（來源：中國科學(xué)報 馮麗妃）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-026-02042-w