40多亿年前，当太阳系还很年轻，地球还在成长的时候，一个火星大小的巨大物体撞向了地球。早期地球上最大的碎片形成了我们的月球。但这究竟是什么时候发生的仍然是个谜。
在《地球化学展望快报》杂志上发表的一项新研究中，研究人员利用1972年阿波罗宇航员从月球带回的晶体来帮助确定月球形成的时间。他们的发现将月球的年龄推后了4000万年，至少有44.6亿年。
“这些晶体是大碰撞后形成的已知最古老的固体。因为我们知道这些晶体的年龄，所以它们可以作为月球年表的锚，”菲利普·赫克说，他是菲尔德博物馆的罗伯特·a·普利兹克陨石学和极地研究策展人，也是内格尼互动研究中心的高级主任，芝加哥大学的教授，也是这项研究的高级作者。
这一发现源于赫克与该研究的主要作者珍妮卡·格里尔(Jennika Greer)的合作，当时她是菲尔德博物馆和芝加哥大学的博士候选人。格里尔说:“我们的合著者张碧东和奥黛丽·布维尔找到了我们，他们需要在纳米尺度上观察这些样本，以便全面了解它们。”格里尔现在是格拉斯哥大学的一名研究助理。
研究中使用的月球尘埃样本是由阿波罗17号飞船带回的在1972年的最后一次载人登月任务中。这灰尘含有数十亿年前形成的微小晶体。这些晶体是月球形成时间的标志。
当这个火星大小的物体撞击地球并形成月球时，撞击的能量融化了最终形成月球表面的岩石。“当表面像那样熔化时，锆石晶体无法形成并存活。因此，月球表面的任何晶体都是在月球岩浆海洋冷却后形成的，”赫克说。“否则，它们就会被熔化，它们的化学特征就会被抹去。”
由于这些晶体一定是在岩浆海洋冷却后形成的，因此确定锆石晶体的年龄将揭示月球可能存在的最小年龄。合著者张毕东之前的一项研究已经提出了这个年龄，但这项最新的研究标志着一种称为原子探针断层扫描的分析方法的首次使用，它“确定”了这个已知最古老的月球晶体的年龄。
格里尔说:“在原子探针断层扫描中，我们首先使用聚焦离子束显微镜将一块月球样本磨成一个非常锋利的尖端，就像一个非常漂亮的卷笔刀。”“然后，我们使用紫外激光从尖端表面蒸发原子。原子通过质谱仪移动，它们移动的速度告诉我们它们有多重，反过来告诉我们它们是由什么组成的。”
这项由西北大学的仪器进行的逐个原子分析显示了锆石晶体中有多少原子经历了放射性衰变。
当一个原子的原子核中质子和中子的结构不稳定时，它就会发生衰变，释放出一些质子和中子，转化成不同的元素。例如，铀衰变成铅。科学家们已经确定了这个过程发生的时间，通过观察样品中不同铀和铅原子(称为同位素)的比例，他们可以知道它的年龄。
“放射性测年法有点像沙漏，”赫克说。在沙漏中，沙子从一个玻璃球流到另一个玻璃球，随着时间的推移，沙子在较低的玻璃球中积累。放射性测年法的工作原理与此类似，即计算母原子的数量以及它们转变成的子原子的数量。然后就可以计算出时间的流逝，因为我们知道了转化速率。”
研究人员发现的铅同位素比例表明，该样本是一种大约44.6亿年前。因此，月球的年龄至少有这么大。
“能够证明你拿着的岩石是我们迄今为止发现的最古老的月球碎片，这真是太神奇了。它是许多关于地球的问题的落脚点。当你知道某样东西的年龄时，你就能更好地了解它在历史上发生了什么，”格里尔说。
赫克说，知道月球何时形成很重要，因为“月球是我们行星系统的重要伙伴——它稳定了地球的自转轴，它是一天有24小时的原因，它是我们有潮汐的原因。”如果没有月球，地球上的生命看起来会不一样。这是我们想要更好地理解的自然系统的一部分，我们的研究为整个画面提供了一小块拼图。”
这项研究由格拉斯哥大学的Jennika Greer、加州大学洛杉矶分校的B. Zhang、西北大学的D. Isheim和D. n . Seidman、拜勒特大学的A. Bouvier和菲尔德博物馆的Philipp Heck共同参与。
