杨亚洲，刘 洋

中国科学院国家空间科学中心, 北京100191

月球是地—月系统乃至整个太阳系演化历史的记录者，自形成之时起其表面就遭受了来自不同类型小天体的持续撞击. 相比于其他类地天体，月球独特的空间环境有利于保存更长时间尺度及更完整的撞击记录. 通过剖析月表不同时期的撞击通量及各类小天体的贡献比例，可以获取诸多关键科学问题的答案或线索. 例如：碳质小行星是小天体中比较富含水及挥发分的，那么是否在某个时期曾发生过大量的碳质天体撞击事件，从而给地—月系统带来水？另外过去太阳系内各类小天体的空间分布是怎样的，又是如何演化到如今这种分布模式的？

通常越古老的月表单元上撞击坑的分布密度也越大（图1a），撞击坑的分布密度与地质单元的形成年龄具有一定的正相关关系. 阿波罗时期的采样任务使我们可以同时获取采样区域的绝对年龄与撞击坑分布密度，这样就可以建立起撞击坑年代学模型（图1b），然后再对月表其他区域的撞击坑分布密度进行统计就可以得到各个区域的年龄了.之前阿波罗任务返回的样品年龄大多在30亿年以上，在构建撞击坑年代学模型时实际存在一个近20亿年的缺口. 嫦娥五号返回了迄今最为年轻的月球样品，大概年龄为20亿年，从而为年代学模型提供了非常重要的校准点. 对年代学曲线作进一步分析，我们还可以获得撞击通量随时间的变化曲线（图1c）. 虽然有了大概的撞击通量的演变模型，但是关于不同时期各类撞击体的贡献比例相关的信息却是比较匮乏的（图1d）.

图1 月表撞击通量与撞击体类型演变示意图. （a）月表着陆与采样探测点分布示意图；（b）撞击坑年代学曲线示意图；（c）撞击通量随时间的演变规律示意图，虚线部分表示可能存在的晚期大轰击事件；（d）不同类型撞击体贡献比例示意图，不同时期各类小天体对月表撞击体的贡献比例相关的信息是比较缺乏的Fig. 1 Schematic diagram of the evolution of lunar surface impact flux and impactor types. (a) The distribution of landing and sampling sites on the lunar nearside. (b) Schematic diagram of the lunar impact chronological model. (c) Schematic diagram of the impact flux versus time, the dashed part indicates the possible late heavy bombardment event. (d) Information about the contributions of different types of impactors during different periods is relative lacking

要弄清楚月表撞击体类型随时间的演变规律，就需要寻找大量的撞击体残留物，并鉴别其类型与形成时间. 撞击体残留物作为撞击事件最直接的证据，是外来撞击物质的关键信息载体. 而寻找撞击残留物主要有三种途径：（1）对返回的样品进行分析，通过对疑似残留物进行主微量元素及同位素等分析，可以比较准确地鉴别撞击体母天体类型.但是返回样品比较稀少，相关的研究报道比较有限，嫦娥五号返回的新样品为撞击体残留物分析及撞击体类型演变研究提供了非常重要的新样本；（2）通过轨道观测，这种方式可以对月表进行大范围的搜寻，但是目前的轨道数据空间分辨率相对比较低，难以进行准确的识别；（3）进行就位探测，目前只有我国的嫦娥四号任务搭载的玉兔二号月球车还在持续开展探测中.

嫦娥四号探测器于2019年1月成功着陆于月球背面南极—艾肯盆地的冯·卡门撞击坑中，其搭载的玉兔二号月球车随后对月表开展了持续的巡视探测. 玉兔二号上装备的全景相机和可见—近红外成像光谱仪可以获取超高分辨率的月表影像与高光谱数据（＜ 1 mm/pixel）. 在月表巡视的过程中，玉兔二号发现了一个小的新鲜撞击坑，并在第9月昼时对该撞击坑进行了详细的光谱探测. 基于全景相机近距离获取的撞击坑影像，Yang等（2021）发现撞击坑中心存在一些与坑壁及坑外月壤明显不同的物质. 对成像光谱仪获取的高光谱影像数据进行的详细分析表明，撞击坑中心的疑似残留物与坑内及坑外的典型月壤、岩石碎块的光谱具有明显不同的特征. 通常情况下，月表岩石或月壤的反射光谱会呈现出“红化”的特征（即反射率随着波长的增加而增加，表现为光谱曲线整体呈现正斜率），并且月表发生的太空风化作用一般会进一步加剧这种红化特征. 而撞击坑中心的疑似残留物的光谱却呈现出“蓝化”的特征（即反射率随着波长增加而减小，光谱曲线整体呈现负斜率）. 因此，可能存在某种具有蓝化光谱特征的外来撞击体物质混入了其中. 在小行星中，只有碳质小行星的光谱存在蓝化特征. 通过对搜集来的大量碳质球粒陨石光谱进行仔细对比后，发现该残留物确实与碳质陨石光谱具有很高的相似度. 基于辐射传输模型的光谱定量反演结果显示，该残留物中碳质陨石组分占比达到47 wt.%以上.

基于玉兔二号全景相机获取的立体影像对，Yang等（2021）利用摄影测量方法构建了覆盖撞击坑及附近区域的高精度数字高程模型. 通过对撞击坑四个不同方向的高程剖面分析显示，当包含中心凹陷时该撞击坑的深度—直径比值在1:5左右，去除中央凹陷后的深度—直径比值在1:10左右. 这比该区域的二次撞击坑的深度—直径比（1:17左右）要高很多，表明该撞击坑可能属于一次撞击坑，而非原始撞击产生的溅射体再次撞击月表形成的二次撞击坑，尽管二次撞击坑的可能性也无法完全排除掉. 为了进一步对上述研究结果进行限定，Yang等（2021）还利用数值模拟技术对该撞击坑的形成过程进行了模拟研究. 结果显示，一个直径15 cm的疏松撞击体以15 km/s的速度（月表典型撞击体的速度）撞击月表，可形成上述观测到的小撞击坑形貌特征，并有残留物分布于撞击坑中心. 上述分析结果表明，该撞击坑可能是一个小型碳质陨石撞击后形成.

撞击输运过程被认为是月球表面水及永久阴影区水冰的主要贡献者之一，而碳质小行星是小天体中相对比较富含水及挥发分的一类，在撞击过程中其携带的水可能有部分得以保留在月表. 前人通过在地面进行的高速撞击模拟实验研究发现，撞击体中可能有高达30 wt.%的水得以保留在撞击熔体或残留物中. 基于撞击坑退化模型的估算，玉兔二号发现的这个小撞击坑应该形成于距今一百万年以内. 这一对碳质撞击残留物的直接观测结果表明，相似的碳质陨石残留物可能在月表非常普遍，在嫦娥五号返回的相对年轻的月球样品中将有很大概率发现类似的撞击残留物，届时结合主微量元素与同位素年代学分析，将可以进一步扩充撞击体类型演变研究样本. 另外，将来利用更高空间分辨率的遥测光谱数据，将有可能在月表更多区域发现类似的撞击残留物分布，从而进一步完善对于月表撞击体类型随时间演变的研究.