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太空风化（Space Weathering）是改造无大气天体（如月球、小行星）表面物理、化学，尤其是光学特性的一个重要过程，会严重影响对表面成分和演化历史的判断。近日，由中国科学院地球化学研究所牵头，联合国内外多家科研单位，在实验室利用脉冲激光辐照多种类型的陨石和显微分析，揭示了小行星表面太空风化光谱改造效应（Space Weathering Spectral Alteration Effects）及其成因的“多样性”。该研究表明，太空风化光谱改造效应不仅只有传统的“月球模式”一种，而是与天体表面的物质成分（如硅酸盐晶体中的铁含量、岩石中硅酸盐与金属的相对含量、岩石中的挥发分含量）及太空风化程度紧密相关。该研究拓宽了人类自美国阿波罗月球探测任务和日本Hayabusa小行星探测任务实施以来，对太空风化效应的固有认识；回答了国际上目前关于碳质小行星龙宫（Ryugu）和贝努（Bennu）太空风化光谱改造效应和表面演化历史的争议；并预测了E型、M型、D型、K型等多种类型小行星表面的太空风化效应，能够为国内外后续多个小行星探测任务的设计、小行星光谱类型演化研究，和小行星表面光谱特征的解释，提供重要参考。
太空风化指的是受微陨石长期撞击、太阳风粒子注入、太阳系及宇宙高能射线辐射，无大气行星体表面物质在物理（如破碎、胶结、非晶化）、化学（元素分布）及光学特征方面发生改造的过程，其中微陨石撞击是一个更主要的过程。基于对月球天文和遥感观测，月球样品分析、以及理论模型的建立，传统的观点认为太空风化能够造成新鲜矿物反射光谱的（1）反射率降低；（2）近红外斜率增加；（3）吸收深度减弱；且纳米铁的出现是光谱发生改变的主要原因，即太空风化的“月球模式”。这种模式已经被科研人员广泛用于校正月球遥感数据。对S型的小行星的遥感探测和样品分析表明，S型小行星具有与月球类似的太空风化光谱改变效应，也发现了纳米铁。这导致“月球模式”几乎成了此前小行星太空风化的唯一模式。近年来，对一些碳质陨石的模拟实验表明，太空风化光谱改造效应似乎并不遵循月球模式，但不同学者做出的实验结果并不统一，使得碳质小行星的太空风化效应变得更加令人迷惑，同时也造成了对龙宫和贝努（两个正在进行的小行星任务Hayabusa 2和OSIRIS-REx的目标）表面物质演化历史的认知分歧。此外国内外的一些针对其他类型小行星的探测任务也在紧密部署，但是对其太空风化效应却仍是未知。
本研究根据国际上迫切需要解答的问题，在实验室采用脉冲激光辐照不同类型的陨石，模拟了长期的微陨石撞击不同类型小行星表面的太空风化过程。通过对比辐照前后陨石的光谱特征变化，模拟了不同类型小行星遭受太空风化后的光谱改造效应。同时，采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜等微区分析手段，揭示了产生这些光谱变化的原因。
研究表明，在相同辐照条件下，不同类型的陨石呈现出三种光谱改造效应（图1）：（1）普通球粒陨石、顽辉石无球粒陨石、CV和CO型碳质球粒陨石辐照后，均出现了反射率降低、近红外斜率升高、吸收深度减弱的现象；（2）EH型顽辉石球粒陨石辐照后反射率升高、近红外斜率升高；（3）富挥发分的CM碳质球粒陨石辐照后，可见波段反射率降低，近红外斜率降低，且随着0.7 μm吸收特征的消失，新产生一个较宽的0.8-1.4 μm吸收带。
图1 激光辐照陨石前后的反射光谱
显微分析表明（图 2），辐照使（1）普通球粒陨石、CV型碳质球粒陨石产生了纳米铁；（2）CO型碳质球粒陨石产生了纳米铁镍金属和少量气泡结构；（3）顽辉石无球粒陨石仅产生了非晶化；（4）顽辉石球粒陨石产生了金属的熔融和溅射；（5）CM碳质球粒陨石产生了大量气泡，但缺乏任何纳米颗粒。这些结果表明：（1）太空风化光谱改造效应并非简单的“月球模式”一种，而是呈现出多种类型；（2）在金属-硅酸盐混合体系，金属的熔融和溅射行为，会显著影响太空风化光学效应;（3）挥发分能够通过控制体系中纳米铁的形成，影响太空风化光学效应。
图2 激光辐照后陨石的原位微区电子学分析结果，a-b：CV3碳质球粒陨石（Allende）中的纳米金属铁；c：顽辉石无球粒陨石（Norton County）中的非晶层；d-e：EH4顽辉石球粒陨石（Abee，Indarch）表面的熔融溅射特征；f-h：CO3碳质球粒陨石（Shanshan 002）中的纳米级铁镍金属与气泡结构；i-j：CM2碳质球粒陨石（Murchison）表面与剖面的气泡特征。
进一步结合国外学者的模拟实验，本研究提出了针对富挥发分碳质体系，太空风化的多阶段模式（图3a）：（1）低程度的太空风化能够导致可见光反射率降低，斜率下降，吸收深度减弱，其中有机物的碳化和层状硅酸盐的分解是主要因素；（2）中等程度的太空风化导致可见光反射率上升，但仍然低于风化前新鲜物质的反射率；同时光谱斜率继续降低，且原先的吸收特征消失；（3）高等程度的太空风化造成反射率比新鲜物质高，光谱斜率为负值，且出现新的吸收特征。研究还发现紫外阶段的反射率变化比可见波段的反射率变化，对太空风化更加敏感（图3b）。该多阶段模式表明，前人模拟实验得出的结论不一致的主要原因，是因为其分别模拟了太空风化的不同阶段。该多阶段模式已经用于推测龙宫表面的太空风化热历史，且与其他研究结论接近。紫外波段比可见波段对太空风化更加敏感的现象，也已经被贝努的遥感探测所证实。
图3 富挥发分碳质体系中，太空风化光学效应的多阶段模式
本研究依据模拟结果，进一步与小行星天文观测数据进行对比，反映出的“Q-Sq-S”小行星光谱类型演化模式（图4A），已经被相关研究证实。本研究提出的太空风化效应驱动小行星光谱类型演化的“Ch/Cgh-B”模式(图4B)；以及D型小行星表面由于太空风化的差异，会出现类似于Bennu和Ryugu的光谱不均一特征，将有待于未来被小行星观测和探测活动所检验。
图4 实验模拟所揭示的，太空风化过程驱动小行星光谱类型演化趋势
该研究成果目前已发表在国际天文学著名杂志Astronomy & Astrophysics上，且作为当期的封面文章被重点介绍。论文第一作者为澳门科技大学的博士研究生张鹏飞，共同通讯作者为中国科学院地球化学研究所的李阳副研究员和山东大学（威海）的张江讲师，合作者来自包括西北大学、美国布朗大学、巴黎萨克雷大学、日本宇航局、中国科学院地质与地球物理研究所、南通智能感知研究院在内的多家科研院所。
本研究获得了中科院先导专项（grant XDB 41000000, XDA 15020300），国家自然科学基金（grant 41673071，41931077），民用空间先进技术研究项目（grant D020201）， 中科院青促会基金（grant 2020395），中科院前沿科学重点研究项目（Grant QYZDY SSW-DQC028），和广西科技基地与人才专项（grant AD1850007）等项目的支持。
论文信息：P. Zhang, K. Tai, Y. Li, J. Zhang, C. Lantz, T. Hiroi, M. Matsuoka, S. Li, Y. Lin, Y. Wen, H. Han and X. Zeng. Diverse space weathering effects on asteroid surfaces as inferred via laser irradiation of meteorites. A&A, 659 (2022) A78. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142590
论文链接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142590
（月球中心 张鹏飞 李阳/供稿）