近年來(lái)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛華院士團隊，聯(lián)合中國空間技術(shù)研究院楊孟飛院士團隊、南京大學(xué)鄒志剛院士團隊，對我國首次地外天體采樣返回樣品——嫦娥五號月壤開(kāi)展了研究。

在前期揭示嫦娥五號月壤中多種類(lèi)型玻璃物質(zhì)的基礎上，物理所非晶團隊進(jìn)一步對月壤中一系列玻璃樣品進(jìn)行了微觀(guān)結構表征與分析，以期破解其所記錄的太空風(fēng)化信息。該研究發(fā)現，一顆月球玻璃珠能夠同時(shí)儲存不同尺寸、分布規律和顯微特征的納米金屬鐵顆粒，并借助玻璃珠明確的撞擊起源和旋轉特征，鑒別出在玻璃珠形成凝固前后分別產(chǎn)生的大、小粒徑納米鐵顆粒。進(jìn)一步，交叉結合天文學(xué)、空間科學(xué)等學(xué)科知識，研究發(fā)現具有不同光譜改造效應的大、小尺寸納米鐵顆粒具有獨立的形成機制，分別對應于月球表面的（微）隕石撞擊和太陽(yáng)風(fēng)輻照作用，揭示了（微）隕石撞擊和太陽(yáng)風(fēng)輻照這兩大空間活動(dòng)在太空風(fēng)化過(guò)程中均起到重要而不同的作用。這深化了科學(xué)家對空間環(huán)境與月表物質(zhì)相互作用機理的認識，為未來(lái)探索和預測月球磁性異常區、月球陰影區以及不同太空環(huán)境下小行星等天體顏色的變化規律提供了啟示。

該研究選擇月壤中普遍存在的撞擊玻璃顆粒為切入點(diǎn)，發(fā)現在嫦娥五號月壤中除前期報道的圓潤玻璃珠外，還存在著(zhù)兩端含有大粒徑納米鐵凸起的橢球或啞鈴狀玻璃珠。觀(guān)測發(fā)現，在旋轉玻璃珠的體內鑲嵌著(zhù)大量趨向兩端分布的、尺寸在幾十納米量級的較大粒徑鐵顆粒。結合顯微分析表明，這些大粒徑納米鐵是在玻璃珠凝固前的高溫撞擊熔體中產(chǎn)生的，即高速隕石撞擊產(chǎn)生的高溫高壓條件在熔化礦物的同時(shí)將含鐵氧化物或硫化物等轉化為單質(zhì)鐵。這些單質(zhì)鐵在熔液中迅速成核長(cháng)大，形成大粒徑鐵顆粒，并在熔滴飛濺旋轉過(guò)程中受離心力作用向兩端遷移，最終伴隨著(zhù)熔滴凝固形成玻璃珠而被“凍結”保存下來(lái)。這種玻璃熔滴飛濺旋轉導致的匯聚作用，會(huì )誘發(fā)形成尺寸達幾百納米甚至微米量級的超大粒徑金屬鐵顆粒。

進(jìn)一步的觀(guān)測發(fā)現，在玻璃珠的表面密集分布著(zhù)尺寸在幾個(gè)納米量級的小粒徑納米鐵顆粒。然而，不同于阿波羅月壤顆粒邊緣報道的富含納米鐵顆粒的表面沉積非晶層，這里觀(guān)測到的濃密分布的小粒徑納米鐵分布在月壤顆粒沉積非晶層以下，集中在月壤顆粒自身表面百納米深度的輻照損傷層內。精密表征發(fā)現，在太陽(yáng)風(fēng)離子的有效注入深度內，輻照損傷導致的氣孔或囊泡缺陷與小粒徑納米鐵顆粒的析出存在明顯的伴生關(guān)系和共性的分布規律。同時(shí)，當月壤顆粒的尺寸小于太陽(yáng)風(fēng)離子的穿透深度時(shí)，整個(gè)顆粒內部充滿(mǎn)了密集的納米鐵顆粒。這說(shuō)明了表面分布的小粒徑納米鐵的太陽(yáng)風(fēng)輻照起源，表明了太陽(yáng)風(fēng)對月表光譜的改造作用遠比先前認為的更為重要。此外，對不同類(lèi)型的嫦娥五號月壤礦物顆粒的檢測分析驗證了上述研究的普遍性。

對嫦娥五號月壤太空風(fēng)化產(chǎn)物納米金屬鐵的綜合研究，突破了經(jīng)典觀(guān)念中由撞擊沉積或單一機制主控的納米鐵成因，強調了納米鐵顆粒的多重起源，并證實(shí)了大、小尺寸納米鐵的形成分別由撞擊和輻照作用主導，澄清了（微）隕石和太陽(yáng)風(fēng)在太空風(fēng)化及天體顏色變化中的關(guān)鍵作用。上述成果與近年來(lái)大量的遙感探測光譜數據相吻合，對于預判經(jīng)歷不同太空環(huán)境的天體或地區的光學(xué)性質(zhì)具有指導意義。

相關(guān)研究成果以Separate effects of irradiation and impacts on lunar metallic iron formation observed in Chang’e-5 samples為題，在線(xiàn)發(fā)表在《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、中國科學(xué)院特別研究助理項目等的支持。該研究使用了國家航天局提供的CE5C0400月壤樣品。

（微）隕石撞擊和太陽(yáng)風(fēng)輻照對月球表面的風(fēng)化作用及相應月球玻璃珠和納米金屬鐵的形成與演化