水分子現(xiàn)身月球光照區(qū) 還需弄清分布和儲存結(jié)構(gòu)

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38萬公里的月球，卻一片荒蕪，寸草不生。

月球究竟有沒有水?科學(xué)家從未停下探索的腳步。此前科學(xué)家推測，月球背面常年陰暗的隕石坑里可能藏有冰。如今，兩項最新研究證實，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，美國國家航空航天局(NASA)依靠平流層紅外天文臺“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，首次探測到了水分子。

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

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

6微米波段出現(xiàn)水分子信號

確切地說，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，是通過水組分的信息一點點“拼湊”出來的。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報記者，科學(xué)家一般通過光譜的遙感探測來尋找水分子信號，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)家一般通過這些特征來尋找月球上的水。

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

對于科學(xué)家來說，那些被陽光照射到的，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”、NASA的“深度撞擊”號和“卡西尼”號3個不同的探測器，在陽光照射的月球表面發(fā)現(xiàn)了疑似水的微弱痕跡，但他們無法分辨那究竟是水，還是水的組分“羥基”。

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

“當(dāng)時有一種觀點認(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，但也不能說有羥基就一定存在水分子。”周禮勇說。

想要明確分辨羥基和水分子，并非無計可施。水分子在6微米波段有個獨特的輻射信號，這是羥基完全沒有的特征。

但是，想要檢測到這種紅外波段非常困難，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。而地面觀測器也無能為力，因為地球大氣層中的水蒸氣會隔絕這個波段的光。

于是，讓飛機(jī)帶著光譜儀飛到合適的高度進(jìn)行探測，就成為不錯的出路。執(zhí)行這次特殊任務(wù)的“索菲亞”，是一架改裝過的波音747SP噴氣客機(jī)。它搭載望遠(yuǎn)鏡的觀測波段，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)時還在美國夏威夷大學(xué)攻讀博士學(xué)位的凱西·霍尼鮑爾(CaseyHonniball)及其合作者用“索菲亞”搭載的紅外望遠(yuǎn)鏡，對月球正面光照區(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。結(jié)果天遂人愿，他們在輻射光譜里發(fā)現(xiàn)了6微米波段的輻射信號，說明那里確實存在水分子。

比撒哈拉沙漠干燥100倍

在陽光照射的月表，水分子想保留下來非常不易。此次的探測數(shù)據(jù)顯示，水被“困在”月球表面的土壤中，濃度為百萬分之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。不過精確的水含量需要進(jìn)一步驗證，因為這一估值是基于月球表面的一個時間、一個地點的一次觀察結(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的?

“有一種設(shè)想認(rèn)為，可能是攜帶水的彗星，從距離太陽很遠(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，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，彗星帶來的水就會被封入其中，可以在月球表面嚴(yán)苛的環(huán)境中長期存在。

“還有一種可能，就是水是月球原生的。”周禮勇表示，現(xiàn)在的主流觀點認(rèn)為月球的形成過程不包含水。在遠(yuǎn)離太陽2到3個天文單位之外，溫度低到雪線以下，水才會以固態(tài)形式參與行星的形成過程，進(jìn)而保留在行星之中。地球、月球距離太陽只有一個天文單位，按理說不會有水，這也是為什么地球上水的來源迄今仍然是科學(xué)家研究的重要問題。月球本身是否含有“與生俱來”的水，這個問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的月球隕石坑觀測和傳感衛(wèi)星(LCROSS)探測器部分撞擊月球南極附近的陰影區(qū)，在撞擊羽流中探測到了水分子的證據(jù)，從而證實陰影區(qū)存在冰。

美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的保羅·海尼等研究者計算了陰影區(qū)的面積，它們大約在4萬平方千米左右，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，這4萬平方千米的區(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，但實際情況如何，還需要進(jìn)一步驗證。

還需弄清分布和儲存結(jié)構(gòu)

“對于探索月球的人類來說，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月甚至更久，月球如果存在可以利用的水資源，就不用耗費巨資從地球上運送水。此外，隨著人類深空探測的腳步加快，未來對于遙遠(yuǎn)天體的探測需要建立中轉(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，就可以作為人類深空探測的落腳點。”提及應(yīng)用前景，周禮勇對未來充滿期待。

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3.5萬美元，如果能開發(fā)月球的水資源，將極大降低探月成本。

不過，沒有大氣層保護(hù)，月表太陽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、是否能長期保存等。”周禮勇認(rèn)為，月表水是否能利用，該怎樣利用，需要做更多檢測，例如水含量是否足夠高，在哪些地區(qū)富集，是否能達(dá)到開采的級別，水在月表儲存的機(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。

“這些發(fā)現(xiàn)確實令人興奮，很有研究和應(yīng)用的前景，但成本目前還無法預(yù)料。”周禮勇說。(記者 金 鳳)

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