NASA科學家發現埋藏於月球地殼中的太陽歷史

概要：

?太陽在最初10億年的自轉速度是未知的。

?然而，這種自轉速度影響了太陽爆發，從而影響生命的進化。

?美國國家航空航天局（NASA）的一組科學家認為，他們已經通過月球作為關鍵證據，弄明白了這其中的奧秘。

NASA的太陽動力學觀測站（SDO）於2014年10月2日，拍攝到了這張太陽耀斑的照片。圖片中，太陽右半部分發出的明亮閃光即太陽耀斑。在它的正下方可以看到一股太陽物質爆發到太空中。

版權：NASA/ SDO

太陽是我們（人類）在此存在的原因，同樣也是為什麼沒有火星人或金星人存在的原因。

40億年前，當太陽還是一個「嬰兒」的時候，經歷了劇烈的強輻射爆發，大量高能粒子噴發，被拋入太空散落至整個太陽系中。這些太陽演化期間的爆發事件引發了地球上的化學反應，使地球保持溫暖和濕潤，從而為早期地球播下了生命的種子。然而，這些劇烈的太陽活動也可能通過剝奪其大氣層和吞噬其營養物質，阻止了其他星球上生命的出現。

這些原始爆發對其他星球的破壞程度將取決於太陽早期的的自轉速度。太陽自轉速度越快，破壞星球宜居性的速度越快。

然而，位於馬里蘭州格林貝爾特市的NASA戈達德太空飛行中心的天體物理學家Prabal Saxena表示，太陽歷史中的這一關鍵階段一直在困擾著科學家們。Saxena主要研究太空天氣、太陽活動的變化以及太空中其他輻射條件與行星和衛星表面的相互作用。

現在，他和其他科學家正在致力於將NASA於2024年之前把宇航員送到月球的計劃變成現實。月球上蘊藏著太陽古老的秘密，這對理解生命的形成至關重要。

Saxena說：「我們不知道太陽在最初10億年的樣子，這極其重要，因為它很可能改變了金星大氣的演化方式及其水分流失的速度。除此之外，也可能改變了火星大氣流失的速度，並改變了地球的大氣化學成分。」

太陽和月亮之間的聯繫

橫幅圖片：通過NASA太陽動力學觀測站拍攝的太陽圖片而製作的gif動圖。該觀測站每周7天24小時全天候對太陽進行。該圖顯示的是太陽在極強的紫外線(171埃)下的景象。

版權：NASA

Saxena陷入了調查早期太陽自轉的謎團，同時沉思著一個看似無關的問題：為什麼月球的構成物質和地球的構成物質基本相同，月球風化層和土壤中鉀和鈉含量卻明顯低於地球土壤？

通過對阿波羅時代從月球帶回的樣本以及在地球上發現的月球隕石進行分析，科學家們也發現了這個問題。該疑問困擾了科學家們幾十年，也對關於月球形成的主要理論帶來了挑戰。

這是一張關於阿波羅16號採回的月球樣本（編號68815）的特寫鏡頭。該樣本是一塊從約四英尺高、五英尺長的母岩上脫落下來的碎片。

版權：NASA / 約翰遜航天中心 (Johnson Space Center , JSC)

理論上，我們的天然衛星是在大約45億年前，一個火星大小的天體撞擊地球時形成的。巨大的撞擊力量使大量物質噴涌到地球軌道上，這些撞擊碎片逐漸聚在一起形成，形成了月球。

NASA戈達德太空飛行中心的行星科學家羅斯瑪麗?基倫（Rosemary Killen）說：「地球和月球可能是由相似的物質構成的，因此問題在於，為什麼月球會將這些元素耗盡？」

Saxena和Killen這兩位科學家懷疑，其中一個大疑問對另一個疑問帶來了啟發 - 即太陽的歷史埋藏於月球的地殼裡。

Killen此前的研究為該小組的調查奠定了基礎。2012年，她協助模擬了太陽活動對鈉、鉀元素含量的影響。這些元素要麼被運送至月球表面，要麼被從太陽射出的帶電粒子流（即大家熟知的太陽風）從太陽上拋出，或者通過強烈的噴發（被稱為日冕物質拋射）的方式被從太陽拋射出來。

Saxena將恆星自轉速度與其耀斑活動之間的數學關係納入其中。這個想法來自於此前科學家們的發現。根據NASA開普勒太空望遠鏡觀測的數千顆恆星的活動規律，科學家發現：恆星旋轉得越快，其耀斑噴射就越猛烈。Saxena說：「當你了解其他恆星和行星時，尤其是像太陽這樣的恆星，你就會開始對太陽是如何隨著時間不斷演化，有一個更全局性的了解。」

Saxena, Killen和同事們均認為，通過使用複雜的計算機模型，或許可以最終解開這兩個謎題。他們在5月3日出版的《天體物理學雜誌通訊》(The Astrophysical Journal Letters）上發布了他們的計算機模擬結果。根據模擬結果顯示，早期的太陽自轉速度慢於50%的新生恆星。根據他們的估計，在最初的10億年里，太陽至少需要9到10天才能完成一次自轉。

他們通過模擬在不同的恆星旋轉速度（慢速，中速和快速）下，太陽系的演化情況來確定這一點。他們發現，只有在一種情況中，即以慢速進行旋轉的恆星，才能夠向月球表面噴射適量的帶電粒子，並隨著時間的推移，將足夠的鈉和鉀元素噴入太空中，留下我們如今在月球岩石中發現的鈉、鉀元素含量。

Saxena說：「太空天氣可能是影響太陽系所有行星進化的主要因素之一，因此任何關於行星宜居性的研究都需要將該因素納入考慮。」

陽光下的生命

早期太陽的自轉速度是地球上生命存在的部分原因。但對於金星和火星，這兩顆與地球相似的固態行星，卻可能恰恰防止了星球上生命的出現。（水星，這顆離太陽最近的固態行星，從來沒有孕育生命的機會。)

地球的大氣層曾經與如今由氮氣和氧氣為主要成分的大氣層截然不同。46億年前，地球形成時，地球表面包裹著一層薄薄的氣體，主要成分是氫和氦。但是由於「青年時期」的太陽爆發活動，這層薄霧在2億年間被驅散了。

隨著地球地殼的凝固，火山逐漸噴發產生了新的大氣層，空氣中充滿二氧化碳、水和氮氣。在接下來的10億年里，最早的細菌生命體消耗二氧化碳，同時，向大氣中釋放甲烷和氧氣。地球也逐漸形成了磁場，這有助於保護它免受太陽的輻射，使大氣轉變成如今富含氧和氮的空氣，可供我們呼吸。

NASA戈達德太空飛行中心的資深日光物理學家和天體生物學家羅弗拉基米爾?埃拉佩提安（Vladimir Airapetian）說：「我們很幸運，地球的大氣層挺過了那段可怕的時期。」Airapetian主要研究太空天氣如何影響類地行星的宜居性，他與Saxena和Killen一起進行了早期的太陽研究。

關於早期地球的一種藝術構思，表現地表受到巨大衝擊，導致深層岩漿擠壓到地表。

版權：西蒙?馬奇（Simone Marchi）

如果太陽是一個快速旋轉體，它會爆發出比任何歷史記錄都強烈10倍的超級耀斑，而且每天至少爆發10次。即使是地球磁場，也不足以保護地球免受其害。太陽爆發會破壞大氣，降低大氣壓力，直到地球無法保留液態水。Saxena說：「當時的環境可能要比想像的惡劣得多。」

但是太陽以對地球而言比較理想的速度旋轉，使地球在早期的恆星下蓬勃發展。金星和火星就沒那麼幸運了。金星曾經被海水覆蓋，有宜居的可能性。但是由於許多因素，包括太陽活動和行星缺乏內部產生的磁場，金星失去了氫，而氫正是水的一個關鍵組成成分。其結果是，金星上的海洋在最初的6億年里（根據估算）就蒸發了。金星大氣層由於二氧化碳變得愈發厚重，二氧化碳一種更難被吹走的重分子。這些影響導致了發展迅猛的溫室效應，使金星保持在炙熱的864華氏度（462攝氏度），這對生命來說實在是過於炎熱。

火星，由於比地球更加遠離太陽，看上去似乎會更加安全，不會受到恆星爆發的影響。然而，它比地球受到的保護其實還要少。部分原因是由於這顆紅色行星的弱磁場和低重力，使得早期的太陽能夠逐漸吹走火星上的空氣和水分。大約37億年前，火星的大氣層變得非常稀薄，液態水很快就被蒸發到太空中。(火星仍然存在水，被凍結在極地冰蓋和土壤中。)

在影響了內行星上的生命進程(或缺乏生命)之後，衰老的太陽逐漸放慢了腳步，並持續放慢旋轉速度。如今，太陽每27天自轉一周，比剛誕生時慢了三倍。較慢的自轉速度使太陽變得不那麼活躍，儘管偶爾仍有猛烈的爆發。

探索月球，見證太陽系的演化

Saxena表示，要了解早期的太陽，只需要看看月球，它是年輕太陽系中保存最完好的文物之一。

他說：「月球終將成為一個非常有用的太陽系歷史校準器以及了解過去的窗口，原因在於，它沒有惱人的大氣層，也沒有板塊構造重新浮出地殼。因此，你可以說，』嘿，如果太陽粒子或其他什麼東西擊中了月球，月球的土壤應該能留下證據證。』」

利用NASA月球勘測軌道飛行器拍攝的圖像，對月球永久陰影區（Permanently Shadowed Regions）或稱為PSRs，進行可視化。PSRs是月球上數百萬年甚至數十億年間都沒有太陽光照射的區域。雖然地球的地軸傾斜度使陽光落能夠在地球表面的任何地方，即使是在兩極，至少在一年的部分時間裡也能受到陽光照射；月球的傾斜度卻非常小，只有1.6度，不足以讓陽光照射進入月球南北兩極附近的一些深坑。因此PSRs是太陽系中最冷、最黑暗的地方之一。

版權：NASA Goddard/厄尼?賴特（Ernie Wright）

阿波羅號帶回的月球樣本和地球上發現的月球隕石是探索早期太陽系的一個很好的起點，但它們只是一個巨大而神秘的謎團中的冰山一角。這些月球樣本來自月球赤道附近的一小塊區域，科學家們無法完全確定這些隕石到底來自月球的哪個地方，因此很難將它們置於具體的地質環境中進行分析。

由於月球南極是永久陰影環形山的家園，我們希望能夠在那裡找到月球上保存最完好的物質，包括冰凍的水，NASA計劃在2024年之前向該區域派遣一支人類探險隊。

如果宇航員能夠從月球最南端區域採集到月球土壤樣本，將提供更多關於早期太陽自轉速度的物理證據。Airapetian懷疑40億年前，太陽粒子會被月球昔日的磁場偏轉，沉積在兩極。他說：「所以你會期待，儘管我們從未實際看見過月球曾經暴露在年輕太陽下的那一部分區域，該區域的化學性質將比赤道區域發生更大程度的變化。關於此，將有許多科學研究待開展。」

來源：

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

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