美國(guó)布朗大學(xué)牽頭的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)近日公布最新研究成果：他們開(kāi)啟了自1972年阿波羅17號(hào)帶回地球后一直被妥善封存的月球巖芯樣品，在其中發(fā)現(xiàn)了一種前所未見(jiàn)的硫同位素信號(hào)，這一結(jié)果對(duì)月球成因及內(nèi)部演化的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)提出了挑戰(zhàn)。研究論文已發(fā)表在《地球物理研究雜志：行星》上。

1972年，阿波羅計(jì)劃最后一批宇航員從月球返回時(shí)，將部分采集樣品密封保存，希望留待未來(lái)技術(shù)更先進(jìn)的科學(xué)家進(jìn)行深入分析。五十多年后，這一設(shè)想終于成真。布朗大學(xué)地球、環(huán)境與行星科學(xué)系助理教授詹姆斯·多廷（James Dottin）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，對(duì)阿波羅17號(hào)在金牛座-利特羅（Taurus?Littrow）地區(qū)采集的一段月壤巖芯重新分析，在其中識(shí)別出異常的硫同位素組成。

這些火山類物質(zhì)中的硫元素呈現(xiàn)出顯著貧化硫?33（33S）的特征，而33S是硫的四種穩(wěn)定同位素之一。團(tuán)隊(duì)指出，這些數(shù)值與通常在地球巖石中測(cè)得的硫同位素比例明顯不同。在地球和其他行星研究中，元素的同位素比例被視為一種“指紋”，可反映其來(lái)源及形成過(guò)程：如果兩份樣品具有相同的同位素圖譜，通常意味著它們?cè)从谕弧澳副尽薄?/p>

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界已經(jīng)確認(rèn)地球與月球在氧同位素方面具有高度相似的特征，因此普遍推測(cè)月球地幔中的硫同位素組成也應(yīng)與地球接近。然而本次研究的結(jié)果卻大相徑庭。多廷表示，自己原本也預(yù)期會(huì)看到類似地球的數(shù)值，卻最終得到“與地球上任何已知樣品都截然不同”的結(jié)果，以至于他第一次看到數(shù)據(jù)時(shí)的反應(yīng)是：“這不可能，我們肯定哪兒做錯(cuò)了?！狈磸?fù)核查后，團(tuán)隊(duì)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)誤，只能接受這是“非常令人意外”的真實(shí)信號(hào)。

此次分析的樣品來(lái)自一根所謂“雙節(jié)取樣管”（double drive tube）：阿波羅17號(hào)宇航員吉恩·塞爾南（Gene Cernan）和哈里森·施密特（Harrison Schmitt）曾將這根中空金屬管插入月面約60厘米，用以獲取相對(duì)原位、未受太多擾動(dòng)的月壤剖面。樣品返回地球后，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將其置于氦氣環(huán)境中密封保存，作為“阿波羅下一代樣品分析計(jì)劃”（ANGSA）的一部分，為未來(lái)研究預(yù)留“最干凈”的月球物質(zhì)。

近年，NASA通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性遴選，向科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)放這批珍貴樣品。在布朗大學(xué)月球研究聯(lián)盟LunaSCOPE的支持下，多廷使用二次離子質(zhì)譜（secondary ion mass spectrometry）技術(shù)，對(duì)樣品中的硫同位素進(jìn)行了高精度測(cè)量——這一手段在阿波羅樣品剛被帶回時(shí)尚不可用。他特別選取那些從巖芯中判定為源自月球深部火山物質(zhì)的部分，重點(diǎn)尋找在巖石噴發(fā)時(shí)就已形成、而非后期被其他過(guò)程引入的硫相。

對(duì)于這些出人意料的33S信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)目前提出了兩種主要解釋路徑。其一與月球早期的表層環(huán)境有關(guān)：在稀薄大氣中，硫如果在紫外輻射作用下參與特定光化學(xué)反應(yīng)，可能會(huì)形成貧化33S的特征?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，早期月球曾短暫擁有過(guò)一層稀薄大氣，本次的硫同位素特征或許正是那一時(shí)期表層化學(xué)過(guò)程的遺跡。如果這一解釋成立，就意味著這些原本位于表面的硫物質(zhì)在某種機(jī)制作用下被輸送進(jìn)了月幔深處。

多廷指出，這將構(gòu)成月球早期“表層—內(nèi)部物質(zhì)交換”的證據(jù)。在地球上，板塊構(gòu)造可以將表層物質(zhì)俯沖、再循環(huán)入地幔，但月球并不存在類似的板塊構(gòu)造體系。因此，如果月球早期的確存在某種能夠?qū)⒈韺游镔|(zhì)送入內(nèi)部的機(jī)制，這對(duì)理解其內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程將非常重要，也極具吸引力。

另一種解釋則將視角拉回到月球起源本身。主流理論認(rèn)為，早期地球曾與一個(gè)火星大小的天體忒伊亞（Theia）發(fā)生巨大碰撞，拋出的碎片在軌道上聚集，最終形成月球。如果忒伊亞本身具有與地球截然不同的硫同位素組成，那么其物質(zhì)殘留在月幔深處，也可能在今天的月球樣品中被檢測(cè)出來(lái)。

目前來(lái)看，現(xiàn)有數(shù)據(jù)尚不足以在兩種解釋之間作出明確裁決。多廷希望，未來(lái)通過(guò)與其他月球樣品以及太陽(yáng)系中更多行星體的同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)比對(duì)，能夠進(jìn)一步厘清這一“異質(zhì)硫信號(hào)”的真正來(lái)源?？蒲腥藛T認(rèn)為，深入解析這些同位素指紋，不僅有助于重構(gòu)月球自身的形成和演化歷史，也將為整個(gè)太陽(yáng)系早期物質(zhì)分布和行星形成過(guò)程提供新的線索。