Gardening on the Moon: An Advection-Diffusion Model to Guide the Search for Supernova Debris in the Lunar Regolith
月球翻耕:指导在月壤中搜寻超新星碎屑的平流-扩散模型
The vertical redistribution of materials in the lunar regolith—ranging from continuously produced space-weathering products to sporadic pulses of supernova- or kilonova-derived isotopes—remains a fundamental problem in planetary science. We present a unified stochastic model of regolith gardening induced by the impact flux. Treating gardening as a competition between impact-driven advection and diffusion predicts the maturity profiles of Apollo cores over more than 2 orders of magnitude in time (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn>1.4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn>4.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>yr</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). This model describes well the depth profiles of live <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Fe</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>60</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Apollo regolith samples, suggesting that supernova dust capture is independent of native iron abundance, and is consistent with a uniform influx at the latitudes of the Apollo landing sites. We extend our model to predict lunar signals for live <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-process species that might originate from supernovae or kilonovae: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Pu</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>244</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula> tied to terrestrial detections, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>129</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Hf</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>182</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>247</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-process calculations. The <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Pu</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>244</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mo>/</mml:mo><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Fe</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>60</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depth profile can probe the origin of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>Pu</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>244</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, motivating searches in Artemis regolith samples down to depths <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
展开 ▾将撞击 gardening 首次统一为平流-扩散解析模型,并用 Apollo 成熟度和 Fe-60 剖面双重验证;提出 Pu-244/Fe-60 深度比值可区分近邻超新星与持续/更早 r-过程来源,为 Artemis 采样深度提供定量依据。
自 Ellis+ 1996 提出近邻超新星可在月球留下 Fe-60 等活同位素、并由 Knie+ 1999 在深海证实以来,月壤成为独立记录站;但经典月壤翻耕模型多把混合视为纯扩散 Gault+ 1974,难以解释 Apollo 剖面中的尖锐梯度。本文将 Costello+ 2021 的次级撞击埋藏-挖掘几何升级为质量守恒的 ADE,成功复现成熟度与 Fimiani+ 2016 的 Fe-60 剖面,并与 Wallner+ 2021 深海 Pu-244/Fe-60 约束衔接。随后扩展 Wang+ 2023 的月球 r-过程核素测量思路,预测 Pu-244、I-129、Hf-182、Cm-247 深度分布。展望上,该 ADE 方法可推广至月球挥发分与 He-3,Artemis 更深岩心和南极点采样有望通过纬度杠杆及深部 Pu-244/Fe-60 比值区分超新星/千新星来源。
预印本 2026-04-10 · 刊出 2026-08-14 · 收录 2026-08-22