地球這顆藍(lán)色星球，依靠大量珍貴的液態(tài)水，孕育出蓬勃生命。但與地球相隔僅38萬(wàn)公里的月球，卻一片荒蕪，寸草不生。

月球究竟有沒(méi)有水？科學(xué)家從未停下探索的腳步。此前科學(xué)家推測(cè)，月球背面常年陰暗的隕石坑里可能藏有冰。如今，兩項(xiàng)最新研究證實(shí)，月球光照面也可能存在水。

10月26日《自然·天文學(xué)》發(fā)表文章稱(chēng)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）依靠平流層紅外天文臺(tái)“索菲亞”，在月球光照區(qū)——月球南半球的克拉維斯環(huán)形山表面，首次探測(cè)到了水分子。

這一發(fā)現(xiàn)表明，水可能分布在整個(gè)月球表面，而不僅限于陰暗的月背。換句話說(shuō)，即使在太陽(yáng)輻射下，水也能在月球表面存在著。

月球光照面的水從何而來(lái)？此次發(fā)現(xiàn)是否會(huì)改寫(xiě)此前月球水的來(lái)源理論？月球光照面的水資源是否可以被我們所利用？

2019年4月15日，NASA宣稱(chēng)其月球大氣與粉塵環(huán)境探測(cè)器探測(cè)到來(lái)自流星體撞擊月球時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣。圖為科學(xué)家制作的概念圖。

6微米波段出現(xiàn)水分子信號(hào)

確切地說(shuō)，這并不是月球上首次發(fā)現(xiàn)水。

月球上可能存在水的線索，是通過(guò)水組分的信息一點(diǎn)點(diǎn)“拼湊”出來(lái)的。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，科學(xué)家一般通過(guò)光譜的遙感探測(cè)來(lái)尋找水分子信號(hào)，而水冰的光譜在2微米波段附近，具有顯著的特征，所以科學(xué)家一般通過(guò)這些特征來(lái)尋找月球上的水。

1998年，NASA的“月球探勘者”號(hào)探測(cè)器搭載了一臺(tái)中子光譜儀，在月球南北極探測(cè)到了氫元素的富集。這可能來(lái)自水，但也可能來(lái)自任何含有氫的物質(zhì)。

對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，那些被陽(yáng)光照射到的，溫度較高的區(qū)域是否存在水，更加令人著迷。

而在月球光照區(qū)發(fā)現(xiàn)水的線索，則要到2009年，印度“月船1號(hào)”、NASA的“深度撞擊”號(hào)和“卡西尼”號(hào)3個(gè)不同的探測(cè)器，在陽(yáng)光照射的月球表面發(fā)現(xiàn)了疑似水的微弱痕跡，但他們無(wú)法分辨那究竟是水，還是水的組分“羥基”。

當(dāng)時(shí)，這幾個(gè)探測(cè)器的光譜儀，工作波段大多在可見(jiàn)光到近紅外線的范圍，只能通過(guò)2.8~3.0微米波段的反射光譜吸收帶，來(lái)判斷探測(cè)到的物質(zhì)。羥基、水在3微米波段附近有不同的吸收特征，但當(dāng)時(shí)的探測(cè)器沒(méi)能完整覆蓋這個(gè)區(qū)域，所以科學(xué)家無(wú)法判斷探測(cè)到的物質(zhì)到底是羥基還是水分子。

“當(dāng)時(shí)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，月球表面存在羥基，羥基結(jié)合上氫就可以形成水，而宇宙中存在著大量的氫，所以有羥基基本上就可能有水，但也不能說(shuō)有羥基就一定存在水分子?！敝芏Y勇說(shuō)。

想要明確分辨羥基和水分子，并非無(wú)計(jì)可施。水分子在6微米波段有個(gè)獨(dú)特的輻射信號(hào)，這是羥基完全沒(méi)有的特征。

但是，想要檢測(cè)到這種紅外波段非常困難，目前的月球探測(cè)器上都沒(méi)有裝載能檢測(cè)6微米紅外波段的光譜儀。而地面觀測(cè)器也無(wú)能為力，因?yàn)榈厍虼髿鈱又械乃魵鈺?huì)隔絕這個(gè)波段的光。

于是，讓飛機(jī)帶著光譜儀飛到合適的高度進(jìn)行探測(cè)，就成為不錯(cuò)的出路。執(zhí)行這次特殊任務(wù)的“索菲亞”，是一架改裝過(guò)的波音747SP噴氣客機(jī)。它搭載望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段，覆蓋5~8微米，非常適合在6微米波段尋找水分子。

2018年8月，當(dāng)時(shí)還在美國(guó)夏威夷大學(xué)攻讀博士學(xué)位的凱西·霍尼鮑爾（Casey Honniball）及其合作者用“索菲亞”搭載的紅外望遠(yuǎn)鏡，對(duì)月球正面光照區(qū)——月球南半球高緯度的克拉維斯撞擊坑一帶進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果天遂人愿，他們?cè)谳椛涔庾V里發(fā)現(xiàn)了6微米波段的輻射信號(hào)，說(shuō)明那里確實(shí)存在水分子。

比撒哈拉沙漠干燥100倍

在陽(yáng)光照射的月表，水分子想保留下來(lái)非常不易。此次的探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水被“困在”月球表面的土壤中，濃度為百萬(wàn)分之100至400，相當(dāng)于每千克月壤中含有100~400毫升水。凱西指出，這比撒哈拉沙漠還要干燥100倍。不過(guò)精確的水含量需要進(jìn)一步驗(yàn)證，因?yàn)檫@一估值是基于月球表面的一個(gè)時(shí)間、一個(gè)地點(diǎn)的一次觀察結(jié)果得出的。

讓人感到不解的是，這些水分子是如何保留下來(lái)的？

“有一種設(shè)想認(rèn)為，可能是攜帶水的彗星，從距離太陽(yáng)很遠(yuǎn)的地方撞擊月球，將彗星上的水以某種形式束縛在了月球上；但也有可能是太陽(yáng)風(fēng)中的氫和月球表面的氧反應(yīng)后，形成羥基，進(jìn)而與氫離子結(jié)合形成水分子。”周禮勇說(shuō)，含水的彗星等撞擊月球表面產(chǎn)生的能量熔化了月球表面的巖石和土壤，當(dāng)熔化物迅速冷卻成玻璃體時(shí)，彗星帶來(lái)的水就會(huì)被封入其中，可以在月球表面嚴(yán)苛的環(huán)境中長(zhǎng)期存在。

“還有一種可能，就是水是月球原生的。”周禮勇表示，現(xiàn)在的主流觀點(diǎn)認(rèn)為月球的形成過(guò)程不包含水。在遠(yuǎn)離太陽(yáng)2到3個(gè)天文單位之外，溫度低到雪線以下，水才會(huì)以固態(tài)形式參與行星的形成過(guò)程，進(jìn)而保留在行星之中。地球、月球距離太陽(yáng)只有一個(gè)天文單位，按理說(shuō)不會(huì)有水，這也是為什么地球上水的來(lái)源迄今仍然是科學(xué)家研究的重要問(wèn)題。月球本身是否含有“與生俱來(lái)”的水，這個(gè)問(wèn)題與月球的起源及經(jīng)歷的地質(zhì)演化密切相關(guān)。

2009年10月，NASA的月球隕石坑觀測(cè)和傳感衛(wèi)星（LCROSS）探測(cè)器部分撞擊月球南極附近的陰影區(qū)，在撞擊羽流中探測(cè)到了水分子的證據(jù)，從而證實(shí)陰影區(qū)存在冰。

美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的保羅·海尼等研究者計(jì)算了陰影區(qū)的面積，它們大約在4萬(wàn)平方千米，其60%位于月球南極。研究人員認(rèn)為，這些區(qū)域具有捕獲水的能力，也就是說(shuō)，這4萬(wàn)平方千米的區(qū)域如果都存在水分子，那么冰的總量相當(dāng)于幾十億公斤的水，但實(shí)際情況如何，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

還需弄清分布和儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)

“對(duì)于探索月球的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，水是一種非常珍貴的資源。假如宇航員需要在太空駐留半個(gè)月甚至更久，月球如果存在可以利用的水資源，就不用耗費(fèi)巨資從地球上運(yùn)送水。此外，隨著人類(lèi)深空探測(cè)的腳步加快，未來(lái)對(duì)于遙遠(yuǎn)天體的探測(cè)需要建立中轉(zhuǎn)站。水能夠裂解成氫氣和氧氣，成為火箭燃料的原料，也可滿(mǎn)足宇航員的呼吸需求。如果月球有充足的水，就可以作為人類(lèi)深空探測(cè)的落腳點(diǎn)?！碧峒皯?yīng)用前景，周禮勇對(duì)未來(lái)充滿(mǎn)期待。

有數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在把一升瓶裝水從地球帶向月球的成本為3.5萬(wàn)美元，如果能開(kāi)發(fā)月球的水資源，將極大降低探月成本。

不過(guò)，沒(méi)有大氣層保護(hù)，月表太陽(yáng)照射面的水源是否可以利用？“這還需要弄清楚水在月表的分布范圍、埋藏深度、是否能長(zhǎng)期保存等?！敝芏Y勇認(rèn)為，月表水是否能利用，該怎樣利用，需要做更多檢測(cè)，例如水含量是否足夠高，在哪些地區(qū)富集，是否能達(dá)到開(kāi)采的級(jí)別，水在月表儲(chǔ)存的機(jī)制是什么，需要用什么樣的技術(shù)才能把水有效地收集起來(lái)。

“這些發(fā)現(xiàn)確實(shí)令人興奮，很有研究和應(yīng)用的前景，但成本目前還無(wú)法預(yù)料?！敝芏Y勇說(shuō)。

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