天文探索：這一次，是真的確定月球上有水！

圖片來源： ESA/NASA
對于想要探索月球的人類來說，水是一種非常珍貴的資源。它不僅能供宇航員飲用，還能夠裂解成氫氣和氧氣，這兩種氣體對于火箭燃料制備和人類呼吸有著很大意義。如果月球存在大量可使用的水，我們就不再需要在探月時花費大量的金錢和空間從地球運輸水資源。
早在2009年，NASA就利用印度“月船1號”探測器攜帶的“月球礦物繪圖儀”（Moon Mineralogy Mapper，簡稱M3）對月球隕石坑進行成像。當時，M3意外在克拉維斯環(huán)形山檢測到了3微米紅外波段的信號，符合這一條件的，一種可能性是水，另一種則是羥基。
但是科學家曾檢測過阿波羅任務帶回來的月巖，它們實在是太干燥了，幾乎檢測不到水分子的存在，大家也一直都在爭論這種紅外光信號到底是否是水產(chǎn)生的。為此，M3小組還曾請求NASA的“深度撞擊”號在經(jīng)過月球時打開光譜儀進行一次檢測?！吧疃茸矒簟碧柗祷氐臄?shù)據(jù)確認了M3團隊的結果。他們在綜合了更早在1999年“卡西尼”號執(zhí)行任務時的光譜數(shù)據(jù)后，確認了月球真的有可能存在水或者羥基。
當時的研究稱，“深度撞擊”號發(fā)現(xiàn)水/羥基的信號會大約在表面來回持續(xù)數(shù)天，這說明很有可能是與月球表面巖石結合很松的水造成的，而不僅僅只是結合緊密的羥基獲得的結果。這些研究也在當年登上了《科學》雜志。
月球一定有水
為了排除羥基產(chǎn)生的信號可能，NASA戈達德航天中心的科學家決定再次對光譜數(shù)據(jù)進行重復檢測。這一次，為了更精確地保證紅外吸收光譜數(shù)據(jù)是水產(chǎn)生的，他們決定檢測6微米紅外波段信號，這一紅外波段信號，只有可能是兩個氫原子和一個氧原子產(chǎn)生的，也被稱作H-O-H彎曲振動。
但是，想要檢測到這種紅外波段非常困難，因為目前的月球探測器上都沒有裝載能檢測6微米紅外波段的光譜儀。而如果想要在地面來對其檢測也是不現(xiàn)實的，地球的大氣層中的水蒸氣會隔絕這部分波段的光，因此地面觀測器也無能為力。
不過，還有另外一種出路，那就是讓飛機帶著光譜儀飛到合適的高度進行檢測，以此來克服大氣層給出的難題?，F(xiàn)實中，我們的確已經(jīng)擁有了這種工具——平流層紅外天文觀測臺（SOFIA），它實際上是一架改裝過的波音747SP噴氣客機，這架客機攜帶了一臺直徑100英寸（約為2.54米）的望遠鏡，用紅外光來觀察宇宙用于研究附近的星系，黑洞，彗星等。

SOFIA。圖片來源：NASA and Jim Ross
SOFIA飛行的區(qū)域，能遠離大氣層中99.9%的水蒸氣，因此6微米紅外光能穿越到其所在區(qū)域。而SOFIA裝配的FORCAST光譜儀有能進行6微米紅外光檢測，并且能同時觀測月球。至此，這架改裝的波音客機就滿足了所有的觀測條件。
在發(fā)表于《自然-天文學》的一項研究中，NASA的研究月球的科學家Casey Honniball和同事就利用SOFIA重新檢測了2009年用3微米紅外光檢測的克拉維斯環(huán)形山。這一次，研究者仍然接收到了清晰的6微米紅外光的信號，他們確定在太陽的照射下，克拉維斯環(huán)形山中有一種分子在吸收了輻射后釋放出了這一信號，而這一次研究者能肯定，月球上只有可能是水分子做到了這一點。
“我們無法想到月球上除了水還會有其他物質(zhì)能顯示出6微米光譜的信號特征，”Honniball和她的同事在論文中寫道。研究推測，這些水分子很有可能被儲存在了月球表面的玻璃中或者被夾在了微小的巖石灰之間。在這些地方，水分子能避免被高溫和真空環(huán)境帶走。
“我們主要認為水會在玻璃中，”Honniball表示，“當小隕石撞擊月球時，會融化一些月球物質(zhì)，這些物質(zhì)會急速冷卻并形成玻璃。無論這些水是在撞擊時產(chǎn)生的，還是小隕石帶來的，它們都可能最后被儲存在玻璃中了?！?br> 究竟這些土壤能存有多少水？就SOFIA觀測數(shù)據(jù)來看，水的豐度大約是100至400ppm，也就是大約每千克的月球土壤中含有100~400毫克的水，就像一滴雨水撒在了月球大地上的感覺。
永久陰影區(qū)的“水庫”？
與此同時，科羅拉多大學博爾德分校的研究者也在探索水分子在月球的另一處藏身點——位于月球極點永久陰影區(qū)的環(huán)形山。在高緯度條件下，高聳的環(huán)形山就能造就一處陽光永遠照射不到的區(qū)域。在這些地方，溫度永遠不會高于-163攝氏度，為水冰的存在提供了條件。
利用NASA月球月球勘測軌道飛行器的數(shù)據(jù)，《自然-天文學》另一篇論文的研究者們計算了永久陰影區(qū)的面積，大約在40000平方千米左右，60%位于月球南極。無論水是來自隕石、彗星或者其他天體，任何出現(xiàn)在該區(qū)域的水分子都會被凍結到和巖石一樣硬。即使陽光照射區(qū)域很難有水分子存在，但只要物體撞擊月球表面時，水分子被沖擊漂移到永久陰影區(qū)，那么這些水就會停留在月球上。

可能藏有水的永久陰影區(qū)。圖片來源：NASA
也就是說，這4萬平方千米的月球表面都可能存在水分子。盡管這項研究并沒有計算具體能存在多少水，但是研究者之一Paul Hayne表示想要在這個區(qū)域獲得任何東西都不難?？赡芪覀冃枰闹皇且惠v能出入永久陰影區(qū)挖掘冰巖的探測車，將冰巖帶到太陽照射區(qū)域來就行了。

NASA將發(fā)射一個帶有光譜儀的探冰鉆頭到月球表面。圖片來源：NASA
而就在上周，NASA剛宣布與Intuitive Machines公司簽署了一份4700萬的合同，在2023年將探冰鉆頭運送到月球。月球表面究竟有多少水可以供給人類使用？相信我們很快就能獲得這些答案。就像Honniball說的，為了獲得這些玻璃中的水，可能要花費大量燃料融化玻璃來提取。這些成本一定比從地球運輸水的支出少嗎？現(xiàn)在還無法確定。
但我們都期望有一天，月球基地旁邊就有一塊能開采水資源的區(qū)域，這也是敦促人類再次踏上月球的極大驅動力。
編譯：楊心舟
引進來源：《自然》官網(wǎng)
引進鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-1198-9


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情
?