当一颗大质量恒星走到生命尽头时，往往会以超新星爆炸的形式将大量物质抛向宇宙空间。这些由恒星死亡产生的物质可能经过数百光年的传播，最终抵达包括地球和月球在内的附近天体。如今，一项由美国夏威夷大学马诺阿分校研究人员主导的新研究提出，月球表面的月壤可能保存着一份跨度长达8000万至1亿年、甚至更久的超新星爆炸记录，而研究人员已经建立了一套数学模型，用于从已经被不断翻搅的月壤中重新解读这段宇宙历史。
这项研究由夏威夷大学地球物理学与行星学研究所研究人员Emily Costello及其合作者完成，相关论文发表于《Physical Review Letters》。研究的核心并不是简单地寻找月壤中的“星尘”，而是解决一个更复杂的问题：这些来自遥远恒星爆炸的物质抵达月球以后，并没有永远停留在最初落下的位置，而是在数千万年的时间里不断受到陨石和小行星撞击，被重新挖出、掩埋、压实和混合。研究人员因此需要建立模型，将这种长期存在的“混乱”重新还原成可以读取的时间记录。
与地球相比，月球拥有一个极为特殊的优势。地球上的海洋沉积物也能够保存来自星际空间的放射性物质，但由于海洋沉积、地质活动和其他环境过程的影响，目前能够追溯的相关记录大约只有1000万年。月球则没有大气、液态海洋以及活跃的板块构造，表面的物质虽然不断受到陨石撞击，却不会经历类似地球上的侵蚀和地质循环。因此，月球风化层实际上可以像一个长期保存的宇宙档案库，将来自遥远恒星爆炸的物质保存数千万年。
研究人员特别关注一种被称为“撞击翻耕”的过程。月球表面长期受到从微小尘埃颗粒到大型小行星等不同尺度撞击体的轰击，每一次撞击都可能将表层月壤挖起，同时把更深处的物质翻到上方。经过数百万乃至数千万年的反复作用，原本相对清晰的层状结构逐渐变得混乱。因此，如果科学家今天在月球上钻取一根月壤岩芯，即使发现了某种来自超新星的放射性同位素，也不能简单地认为它所在的深度就对应着它抵达月球的时间。
Costello团队为此建立了一个统一的随机模型，将月壤中的物质输运过程描述为埋藏和挖掘之间的长期竞争。一方面，新的月壤不断覆盖并埋藏此前沉积的物质；另一方面，陨石撞击又会把地下物质重新挖掘出来，并与其他深度的月壤混合。模型同时考虑了撞击压实、挖掘、物质输运、空间风化以及放射性衰变等因素，并进一步加入了超新星以脉冲形式向太阳系附近输送星际尘埃的情况。
此前来自地球深海沉积物和阿波罗计划月球样品的研究已经提供了重要证据，表明数百光年之外发生的超新星爆炸曾经向地球和月球输送放射性同位素。科学家已经发现大约230万年前和730万年前存在两次较为明确的超新星物质沉积事件。这些事件留下的同位素信号在抵达月球以后，又逐渐受到撞击翻耕影响，被重新分散到不同深度。
研究人员首先利用阿波罗任务采集的月壤岩芯检验模型。结果显示，模型能够较为准确地再现月壤中铁-60等放射性同位素随深度变化的实际分布。相关同位素的年龄此前已经通过宇宙射线径迹和其他放射性核素基准得到独立约束，因此为验证模型提供了重要依据。
在模型通过验证后，研究人员进一步将地球上已经建立的超新星事件时间线输入模型，模拟这些来自恒星爆炸的物质在月球月壤中经过数百万年撞击翻耕后会形成怎样的深度分布。研究团队随后将模型扩展到更多具有潜在研究价值的重元素，包括钚-244、碘-129、铪-182和锔-247等，从而预测未来科学家在月球更深处取得样品后可能发现什么样的宇宙化学信号。
其中，钚-244尤其受到关注，因为它的半衰期较长，理论上有可能帮助科学家追踪更久远的恒星爆炸事件。不同来源和不同时间尺度的星际物质输入，在月壤中可能形成不同的浓度曲线。如果能够获得足够深、且保存状况良好的月壤岩芯，科学家就有机会区分某一次短暂而集中的超新星爆炸与长期持续的星际物质输入。
这也意味着，月球可能不仅仅保存着人类熟悉的月球地质历史，还保存着太阳系所在区域过去数千万年甚至上亿年间经历过的恒星活动记录。换句话说，月壤中的某些原子可能来自早已消失的恒星，而这些恒星的爆炸发生时，人类乃至地球上的许多现代生命都还没有出现。
研究人员认为，未来月球探测任务将成为进一步验证这一设想的关键。阿尔忒弥斯计划未来重新将宇航员送上月球，并有望采集比阿波罗时代更深、更系统的月壤样品。如果这些任务能够取得足够深度的岩芯，那么研究人员就可以利用经过验证的“撞击翻耕”模型，对月壤中被打乱的同位素分布进行反向解码，从而恢复更久远的超新星活动历史。
Costello表示，未来从月球取得的新样品如果与这一模型结合起来，有可能揭示此前从未被记录的人类附近宇宙空间的超新星历史。对科学家而言，真正有价值的并不只是发现某一种来自恒星的元素，而是通过这些元素的深度、浓度和放射性衰变规律，判断它们何时抵达月球、来自怎样的恒星事件，以及太阳系在过去漫长时间里经历了怎样的银河系环境。
这项研究也让月球的价值出现了一个颇为独特的变化。地球上的岩石会被风化、沉积、熔融和板块运动不断重塑，海洋沉积物虽然能够保存部分星际物质，却难以提供超过千万年的连续记录。而月球表面看似不断被陨石撞击、杂乱无章的月壤，实际上可能只是一个被“打乱顺序”的天然档案库。只要科学家掌握了正确的物理规律，就有可能从这种混乱之中重新恢复时间信息。
如果未来的月球深层采样能够成功，人类或许能够利用一根月壤岩芯，追溯远古超新星爆炸留下的痕迹，并进一步研究太阳系在银河系中漫长运行过程中所经历的恒星环境变化。对月球而言，这些来自遥远恒星死亡时留下的物质，可能已经在那里沉睡了上亿年，而人类如今才刚刚开始掌握读取这份宇宙档案的方法。