NASA科学家发现埋藏于月球地壳中的太阳历史

概要：

• 太阳在最初10亿年的自转速度是未知的。
• 然而，这种自转速度影响了太阳爆发，从而影响生命的进化。
• 美国国家航空航天局（NASA）的一组科学家认为，他们已经通过月球作为关键证据，弄明白了这其中的奥秘。

NASA的太阳动力学观测站（SDO）于2014年10月2日，拍摄到了这张太阳耀斑的照片。图片中，太阳右半部分发出的明亮闪光即太阳耀斑。在它的正下方可以看到一股太阳物质爆发到太空中。
版权：NASA/ SDO

太阳是我们（人类）在此存在的原因，同样也是为什么没有火星人或金星人存在的原因。

40亿年前，当太阳还是一个“婴儿”的时候，经历了剧烈的强辐射爆发，大量高能粒子喷发，被抛入太空散落至整个太阳系中。这些太阳演化期间的爆发事件引发了地球上的化学反应，使地球保持温暖和湿润，从而为早期地球播下了生命的种子。然而，这些剧烈的太阳活动也可能通过剥夺其大气层和吞噬其营养物质，阻止了其他星球上生命的出现。

这些原始爆发对其他星球的破坏程度将取决于太阳早期的的自转速度。太阳自转速度越快，破坏星球宜居性的速度越快。

然而，位于马里兰州格林贝尔特市的NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Prabal Saxena表示，太阳历史中的这一关键阶段一直在困扰着科学家们。Saxena主要研究太空天气、太阳活动的变化以及太空中其他辐射条件与行星和卫星表面的相互作用。

现在，他和其他科学家正在致力于将NASA于2024年之前把宇航员送到月球的计划变成现实。月球上蕴藏着太阳古老的秘密，这对理解生命的形成至关重要。

Saxena说：“我们不知道太阳在最初10亿年的样子，这极其重要，因为它很可能改变了金星大气的演化方式及其水分流失的速度。除此之外，也可能改变了火星大气流失的速度，并改变了地球的大气化学成分。”

太阳和月亮之间的联系

横幅图片：通过NASA太阳动力学观测站拍摄的太阳图片而制作的gif动图。该观测站每周7天24小时全天候对太阳进行。该图显示的是太阳在极强的紫外线(171埃)下的景象。
版权：NASA

Saxena陷入了调查早期太阳自转的谜团，同时沉思着一个看似无关的问题：为什么月球的构成物质和地球的构成物质基本相同，月球风化层和土壤中钾和钠含量却明显低于地球土壤？

通过对阿波罗时代从月球带回的样本以及在地球上发现的月球陨石进行分析，科学家们也发现了这个问题。该疑问困扰了科学家们几十年，也对关于月球形成的主要理论带来了挑战。

这是一张关于阿波罗16号采回的月球样本（编号68815）的特写镜头。该样本是一块从约四英尺高、五英尺长的母岩上脱落下来的碎片。
版权：NASA / 约翰逊航天中心 (Johnson Space Center , JSC)

[rml_read_more]

理论上，我们的天然卫星是在大约45亿年前，一个火星大小的天体撞击地球时形成的。巨大的撞击力量使大量物质喷涌到地球轨道上，这些撞击碎片逐渐聚在一起形成，形成了月球。

NASA戈达德太空飞行中心的行星科学家罗斯玛丽•基伦（Rosemary Killen）说：“地球和月球可能是由相似的物质构成的，因此问题在于，为什么月球会将这些元素耗尽？”

Saxena和Killen这两位科学家怀疑，其中一个大疑问对另一个疑问带来了启发 – 即太阳的历史埋藏于月球的地壳里。

Killen此前的研究为该小组的调查奠定了基础。2012年，她协助模拟了太阳活动对钠、钾元素含量的影响。这些元素要么被运送至月球表面，要么被从太阳射出的带电粒子流（即大家熟知的太阳风）从太阳上抛出，或者通过强烈的喷发（被称为日冕物质抛射）的方式被从太阳抛射出来。

Saxena将恒星自转速度与其耀斑活动之间的数学关系纳入其中。这个想法来自于此前科学家们的发现。根据NASA开普勒太空望远镜观测的数千颗恒星的活动规律，科学家发现：恒星旋转得越快，其耀斑喷射就越猛烈。Saxena说：“当你了解其他恒星和行星时，尤其是像太阳这样的恒星，你就会开始对太阳是如何随着时间不断演化，有一个更全局性的了解。”

Saxena, Killen和同事们均认为，通过使用复杂的计算机模型，或许可以最终解开这两个谜题。他们在5月3日出版的《天体物理学杂志通讯》(The Astrophysical Journal Letters）上发布了他们的计算机模拟结果。根据模拟结果显示，早期的太阳自转速度慢于50%的新生恒星。根据他们的估计，在最初的10亿年里，太阳至少需要9到10天才能完成一次自转。

他们通过模拟在不同的恒星旋转速度（慢速，中速和快速）下，太阳系的演化情况来确定这一点。他们发现，只有在一种情况中，即以慢速进行旋转的恒星，才能够向月球表面喷射适量的带电粒子，并随着时间的推移，将足够的钠和钾元素喷入太空中，留下我们如今在月球岩石中发现的钠、钾元素含量。

Saxena说：“太空天气可能是影响太阳系所有行星进化的主要因素之一，因此任何关于行星宜居性的研究都需要将该因素纳入考虑。”

阳光下的生命

早期太阳的自转速度是地球上生命存在的部分原因。但对于金星和火星，这两颗与地球相似的固态行星，却可能恰恰防止了星球上生命的出现。（水星，这颗离太阳最近的固态行星，从来没有孕育生命的机会。)

地球的大气层曾经与如今由氮气和氧气为主要成分的大气层截然不同。46亿年前，地球形成时，地球表面包裹着一层薄薄的气体，主要成分是氢和氦。但是由于“青年时期”的太阳爆发活动，这层薄雾在2亿年间被驱散了。

随着地球地壳的凝固，火山逐渐喷发产生了新的大气层，空气中充满二氧化碳、水和氮气。在接下来的10亿年里，最早的细菌生命体消耗二氧化碳，同时，向大气中释放甲烷和氧气。地球也逐渐形成了磁场，这有助于保护它免受太阳的辐射，使大气转变成如今富含氧和氮的空气，可供我们呼吸。

NASA戈达德太空飞行中心的资深日光物理学家和天体生物学家罗弗拉基米尔•埃拉佩提安（Vladimir Airapetian）说：“我们很幸运，地球的大气层挺过了那段可怕的时期。”Airapetian主要研究太空天气如何影响类地行星的宜居性，他与Saxena和Killen一起进行了早期的太阳研究。

关于早期地球的一种艺术构思，表现地表受到巨大冲击，导致深层岩浆挤压到地表。
版权：西蒙•马奇（Simone Marchi）

如果太阳是一个快速旋转体，它会爆发出比任何历史记录都强烈10倍的超级耀斑，而且每天至少爆发10次。即使是地球磁场，也不足以保护地球免受其害。太阳爆发会破坏大气，降低大气压力，直到地球无法保留液态水。Saxena说：“当时的环境可能要比想象的恶劣得多。”

但是太阳以对地球而言比较理想的速度旋转，使地球在早期的恒星下蓬勃发展。金星和火星就没那么幸运了。金星曾经被海水覆盖，有宜居的可能性。但是由于许多因素，包括太阳活动和行星缺乏内部产生的磁场，金星失去了氢，而氢正是水的一个关键组成成分。其结果是，金星上的海洋在最初的6亿年里（根据估算）就蒸发了。金星大气层由于二氧化碳变得愈发厚重，二氧化碳一种更难被吹走的重分子。这些影响导致了发展迅猛的温室效应，使金星保持在炙热的864华氏度（462摄氏度），这对生命来说实在是过于炎热。

火星，由于比地球更加远离太阳，看上去似乎会更加安全，不会受到恒星爆发的影响。然而，它比地球受到的保护其实还要少。部分原因是由于这颗红色行星的弱磁场和低重力，使得早期的太阳能够逐渐吹走火星上的空气和水分。大约37亿年前，火星的大气层变得非常稀薄，液态水很快就被蒸发到太空中。(火星仍然存在水，被冻结在极地冰盖和土壤中。)

在影响了内行星上的生命进程(或缺乏生命)之后，衰老的太阳逐渐放慢了脚步，并持续放慢旋转速度。如今，太阳每27天自转一周，比刚诞生时慢了三倍。较慢的自转速度使太阳变得不那么活跃，尽管偶尔仍有猛烈的爆发。

探索月球，见证太阳系的演化

Saxena表示，要了解早期的太阳，只需要看看月球，它是年轻太阳系中保存最完好的文物之一。

他说：“月球终将成为一个非常有用的太阳系历史校准器以及了解过去的窗口，原因在于，它没有恼人的大气层，也没有板块构造重新浮出地壳。因此，你可以说，’嘿，如果太阳粒子或其他什么东西击中了月球，月球的土壤应该能留下证据证。’”

利用NASA月球勘测轨道飞行器拍摄的图像，对月球永久阴影区（Permanently Shadowed Regions）或称为PSRs，进行可视化。PSRs是月球上数百万年甚至数十亿年间都没有太阳光照射的区域。虽然地球的地轴倾斜度使阳光落能够在地球表面的任何地方，即使是在两极，至少在一年的部分时间里也能受到阳光照射；月球的倾斜度却非常小，只有1.6度，不足以让阳光照射进入月球南北两极附近的一些深坑。因此PSRs是太阳系中最冷、最黑暗的地方之一。
版权：NASA Goddard/厄尼•赖特（Ernie Wright）

阿波罗号带回的月球样本和地球上发现的月球陨石是探索早期太阳系的一个很好的起点，但它们只是一个巨大而神秘的谜团中的冰山一角。这些月球样本来自月球赤道附近的一小块区域，科学家们无法完全确定这些陨石到底来自月球的哪个地方，因此很难将它们置于具体的地质环境中进行分析。

由于月球南极是永久阴影环形山的家园，我们希望能够在那里找到月球上保存最完好的物质，包括冰冻的水，NASA计划在2024年之前向该区域派遣一支人类探险队。

如果宇航员能够从月球最南端区域采集到月球土壤样本，将提供更多关于早期太阳自转速度的物理证据。Airapetian怀疑40亿年前，太阳粒子会被月球昔日的磁场偏转，沉积在两极。他说：“所以你会期待，尽管我们从未实际看见过月球曾经暴露在年轻太阳下的那一部分区域，该区域的化学性质将比赤道区域发生更大程度的变化。关于此，将有许多科学研究待开展。”

来源：
https://www.nasa.gov/goddard/2019/feature/nasa-scientists-find-sun-s-history-buried-in-moon-s-crust