贝努小行星表层风化效应揭示碳质天体空间环境演化的新机制

NASA OSIRIS-REx任务团队通过对贝努小行星（Bennu）表层样品的多尺度分析，首次系统揭示了碳质小行星空间风化（space weathering）的微观特征与时间尺度。研究发现微陨石撞击产生的熔融沉积物（melt deposits）和太阳风辐照损伤层在<5万年时间尺度上即可显著改变光谱特性，而宇宙射线暴露年龄（2-7 Myr）表明贝努表层存在动态更新机制。该研究颠覆了传统月球风化模型，为理解碳质天体光谱演化提供了关键实验证据。

　　

在太阳系无大气天体的表面，空间风化（space weathering）是改变其物理化学特性的核心过程。传统认知基于月球和S型小行星（如Itokawa）样本，认为太阳风辐照是主导因素，而微陨石撞击需亿年尺度才能产生显著影响。然而，这一模型是否适用于富含挥发分的碳质小行星（C-type）仍存疑。NASA OSIRIS-REx任务从B型小行星贝努（101955 Bennu）采集的122克表土样本，为破解这一谜题提供了关键材料。

研究团队采用多尺度联用技术，发现贝努表层颗粒呈现三类典型空间风化特征：首先是微陨石撞击产生的熔融沉积物，覆盖10-20%的颗粒表面，其直径可达200 μm，内部含有纳米级Fe-Ni-S包裹体和直径500 nm的气泡（图1）。这些气泡源自撞击释放的挥发性组分（主要是H₂O），解释了贝努光谱中2.7 μm水吸收峰的展宽现象。更引人注目的是，在Fe-Ni-S熔体表面发现10 nm厚的氮化铁层（siderazot Fe₃N和roaldite Fe₄N），证实小行星原生氨（NH₃）与风化表层的化学反应（图2）。此外，硫化物熔体表面还观察到长达100 nm的金属晶须（whiskers），类似月球和Itokawa样本的特征（图3）。

太阳风辐照证据同样显著。透射电镜（TEM）显示颗粒表面存在60-150 nm的致密层，其Mg/Si元素分异特征与模拟计算结果一致（图4）。橄榄石颗粒的太阳高能粒子（SEP）径迹密度达1.4×10⁹ cm^-2，对应暴露年龄约4.5万年（图5）。微陨石坑密度分析则给出2-8.5万年的表面暴露时间窗，远短于此前遥感估算的10⁵年。

宇宙成因核素分析揭示了更深层的演化历史。样品中¹⁰Be和²⁶Al的浓度表明，贝努表层1-2米物质经历2-7 Myr的宇宙射线暴露，暗示其通过撞击翻耕（impact gardening）和坡面物质运动每数百万年更新一次。这一动态过程与遥感观测的年轻撞击坑（如Hokioi）分布相符。

关键实验技术包括：1）扫描电镜（SEM）与聚焦离子束（FIB）联用表征微米级风化特征；2）透射电镜（TEM）结合电子能量损失谱（EELS）分析纳米级辐照损伤；3）加速器质谱（AMS）测定宇宙成因核素¹⁰Be/²⁶Al/³⁶Cl；4）激光提取-质谱法测量惰性气体同位素组成。

主要研究结论包括：

1. 1.

   微陨石撞击在碳质小行星表面产生大量熔融沉积物，其纳米级金属硫化物包裹体是导致光谱蓝移（bluing）的关键因素；

2. 2.

   太阳风与微陨石共同作用可在<5万年内显著改变表面特性，比传统模型快4个数量级；

3. 3.

   氮化铁和金属晶须的发现揭示了挥发分参与空间化学反应的新途径；

4. 4.

   贝努与龙宫（Ryugu）样本的对比表明，碳质小行星存在"先红后蓝"的光谱演化路径。

这项发表于《Nature Geoscience》的研究重塑了内太阳系空间风化认知体系：碳质天体因富含挥发分和低机械强度，其风化过程在速率、机制和光谱效应上均不同于无水天体。该发现为解读小行星遥感数据提供了新标尺，对理解水星等富硫天体的表面演化也有启示意义。