北京時間2月15日，《自然-天文學(xué)》雜志（Nature Astronomy）發(fā)布了月球科學(xué)研究的一項(xiàng)重要成果。遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室行星遙感團(tuán)隊(duì)及合作者，利用嫦娥五號月球樣品的同位素年齡和著陸區(qū)撞擊坑統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在目前常用月球年代函數(shù)的基礎(chǔ)上建立了新的更精確的年代函數(shù)模型，為月球和行星科學(xué)研究提供更精確的時間標(biāo)尺。

　　在月球和行星科學(xué)研究中，確定重要地質(zhì)單元和重大地質(zhì)事件的年齡至關(guān)重要。早期阿波羅（Apollo）和月球（Luna）探測任務(wù)在月球表面采集了樣品（圖1a），并通過同位素測年方法得到了這些樣品的精確年齡，它們代表了樣品所在地質(zhì)單元的年齡。為了將這些有限的年齡信息應(yīng)用到月球全球，歐美科學(xué)家們建立了撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年方法，包括描述撞擊坑大小-頻率分布規(guī)律的產(chǎn)率函數(shù)和描述撞擊坑歸一化頻率與絕對年齡關(guān)系的年代函數(shù)，前者通過遙感圖像撞擊坑統(tǒng)計(jì)分析得到，后者通過樣品年齡及其所在地質(zhì)單元撞擊坑歸一化頻率得到。其中最著名和廣泛應(yīng)用的是德國柏林自由大學(xué)格哈特·紐庫姆（Gerhard Neukum）教授建立的產(chǎn)率函數(shù)和年代函數(shù)，自1983年建立沿用至今。

　　然而，遺憾的是，Apollo和Luna采集的樣品年齡在約30億年至10億年間有一個很大的空白區(qū)間，幾乎占據(jù)了月球地質(zhì)歷史的一半，這也使得年代函數(shù)的可靠性一直受到質(zhì)疑。因此，尋找月球表面20億年左右地質(zhì)單元的樣品對驗(yàn)證和改進(jìn)月球年代模型具有重大意義，這也成為嫦娥五號任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)之一。2020年12月1日，嫦娥五號在月球正面風(fēng)暴洋北部呂姆克山、夏普月溪附近安全著陸，所返回樣品的同位素測量結(jié)果表明其年齡為20.3億年，與預(yù)期吻合很好。嫦娥五號樣品年齡為月球年代函數(shù)的改進(jìn)提供了一顆珍貴的“金釘子”，是嫦娥五號樣品對月球科學(xué)研究的一個獨(dú)特貢獻(xiàn)。

圖1. 月球著陸采樣區(qū)域(a)和嫦娥五號著陸區(qū)撞擊坑統(tǒng)計(jì)(b)

　　研究團(tuán)隊(duì)基于高分辨月球遙感影像的撞擊坑統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（圖1b）和撞擊坑產(chǎn)率函數(shù)得到嫦娥五號采樣點(diǎn)地質(zhì)單元的撞擊坑歸一化頻率（即N(1)值），與嫦娥五號樣品的年齡構(gòu)成建立月球年代函數(shù)模型一組新的控制數(shù)據(jù)，通過非線性最小二乘擬合算法，對Neukum (1983)年代函數(shù)進(jìn)行更新，建立了新的月球年代函數(shù)模型：

　　并對比了新老函數(shù)的差異（圖2a）。分析表明，根據(jù)新的年代函數(shù)得到的定年結(jié)果在大部分情況下更老一些，最大的差別在2億年左右（即0.2Ga，見圖2b、2c）。由于增加了嫦娥五號關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，新的月球年代函數(shù)模型定年的精度優(yōu)于經(jīng)典的Neukum (1983)模型，可用于今后月球地質(zhì)單元的定年。進(jìn)一步，可根據(jù)新的月球年代函數(shù)，推演火星、水星等其他地外行星的新年代函數(shù)，提高定年精度。新月球年代函數(shù)，是一把更精確的時間標(biāo)尺，將在月球和行星科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。

圖2. 新月球年代模型及其與Neukum (1983)模型的差異。

　　a. 月球年代模型對比，紅色實(shí)線表示新年代函數(shù)模型，黑色虛線表示Neukum (1983)模型；b. 不同撞擊坑歸一化頻率對應(yīng)的年齡差異；c. 不同地質(zhì)時間對應(yīng)的年齡差異

　　該成果得到了審稿人的高度評價。其中一位審稿人表示，“這項(xiàng)原創(chuàng)性工作具有重要意義，我想整個行星科學(xué)領(lǐng)域都會對這個結(jié)果感興趣”。

　　論文的第一作者和通訊作者分別是行星遙感團(tuán)隊(duì)的遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室岳宗玉研究員和邸凱昌研究員，論文的合作單位有中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所和中國科學(xué)院國家天文臺。該研究得到中科院、國家自然科學(xué)基金委相關(guān)項(xiàng)目支持。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-022-01604-3。