在很長一段時(shí)間里，月球一直被認(rèn)為是一片極度干燥的荒原。對(duì)阿波羅任務(wù)帶回的月球樣本的最初分析顯示，那里似乎只有微量的水。而這些微量的蹤跡甚至也被懷疑只是來自地球上的污染。
阿波羅11號(hào)拍下的地球。| 圖片來源：NASA/JSC
但在過去數(shù)十年間，對(duì)月球樣本的重新分析，還有來自更多航天任務(wù)的觀測(cè)以及理論建模都在不斷表明，最初這種評(píng)估是錯(cuò)誤的。科學(xué)家在月巖的礦物內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了“水”；在靠近月球兩極永久陰影區(qū)的撞擊坑中，研究人員也發(fā)現(xiàn)水冰與月球塵埃顆?；旌系嫩E象；早在十多年前，就有研究發(fā)現(xiàn)了月球表面水分子存在的一點(diǎn)蛛絲馬跡……
然而很多時(shí)候，“水”這個(gè)詞可能不僅特指“分子水”（也就是由兩個(gè)氫和一個(gè)氧組成的H2O），還有氫（H）和羥基（OH）。雖然H和OH也可以結(jié)合形成分子水，但了解這些化合物最初以什么形式存在仍然十分關(guān)鍵。因?yàn)樵谠虑虮砻娴沫h(huán)境中，這將影響著這些物質(zhì)的穩(wěn)定性和位置，也能反映出人類想要提取它們所需的努力。比如，如果是以水冰的形式存在的分子水，就會(huì)比“鎖”在巖石中的羥基更容易被提取出來。
科學(xué)家一直不確定的是，那些“水”究竟有多少是以分子水的形式存在的。近日發(fā)表于《自然·天文學(xué)》上的兩項(xiàng)新研究提供了一些答案。尤其是，其中一項(xiàng)研究報(bào)道，SOFIA（平流層紅外天文臺(tái)）探測(cè)到了水分子獨(dú)特的紅外信號(hào)，這代表著，人類首次在月球陽光照射的區(qū)域明確探測(cè)到了分子水的存在。這也說明，月球上的水不僅存在于永久陰影區(qū)，月球的其他地方也能找到水的蹤跡。
在月球表面的研究中，發(fā)現(xiàn)“水”的一種重要方法是紅外探測(cè)。不少航天器攜帶的儀器都探測(cè)過來自月球的反射波譜。它們會(huì)探測(cè)來自月球表面的光，測(cè)量它在特定波長下反射的能量。這些數(shù)據(jù)則可以反映出表面的組成。由于存在“水”，月球表面會(huì)吸收波長3μm（0.000003m）的光。然而，這個(gè)特征并不能將分子水與羥基化合物區(qū)分開來。
這項(xiàng)新研究的數(shù)據(jù)來自SOFIA，它實(shí)際上是一架飛行在4萬多英尺高空的波音747SP飛機(jī)。改裝后的飛機(jī)攜帶著2.5米的天文望遠(yuǎn)鏡，專門以一種“紅外視野”觀測(cè)并研究宇宙。
“索菲雅”（SOFIA）。| 圖片來源：NASA/Jim Ross
在2018年8月的一次航行中，SOFIA探測(cè)到了來自月球克拉維烏斯環(huán)形山（Clavius）附近波長6μm的紅外光。這種波長非常獨(dú)特，它是由陽光加熱下的水分子振動(dòng)產(chǎn)生的，而不會(huì)由其他含有羥基的化合物產(chǎn)生。
研究人員將赤道附近的月海區(qū)域作為參考基線（那里被認(rèn)為幾乎沒有水），通過兩者的數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)計(jì)算出克拉維烏斯環(huán)形山附近水的豐度大約在100到400ppm（parts per milliom）。
克拉維烏斯環(huán)形山以及參考區(qū)域在月球上的大致位置。| 圖片來源：Honniball, C. I. et al. / Nature Astronomy
研究認(rèn)為，這些水分子并非像永久陰影區(qū)中的水那樣處于水冰形態(tài)，它們也并非液態(tài)。相反，觀測(cè)到的水很有可能被鎖在一種“玻璃”內(nèi)，這些“玻璃”是由小型隕石撞擊并將含水的風(fēng)化層顆粒熔化而形成的。或者，它們可能存在于晶界之間的空隙中——如果是這樣，提取它們可能將更加容易。
與此同時(shí)，同期發(fā)表的另一篇論文則使用了新的理論模型，基于溫度數(shù)據(jù)和來自月球勘測(cè)軌道飛行器（LRO）的高分辨率圖像，更精確地預(yù)測(cè)了月球哪里有合適的條件允許水冰存在。
先前的研究已經(jīng)表明，在兩極附近的永久陰影區(qū)存在著幾千米寬的“冷阱”（cold trap），那里可能存在水冰。這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，還有大量的小型冷阱存在，其條件允許水冰聚積，規(guī)模在厘米或分米尺度。事實(shí)上，這種小型冷阱在數(shù)量上比大型冷阱要多得多。
團(tuán)隊(duì)計(jì)算出，月球表面約0.1%的區(qū)域足夠冷，足以將水以冰的形式存住，而這些有冰的冷阱大部分位于高緯度地區(qū)（>80°），非?？拷虑蚰蠘O。這一結(jié)果同樣縮小了未來月球探索區(qū)域的選擇范圍，提高人們找到水冰的可能性。
這些最新的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加深了科學(xué)家對(duì)月球水的歷史的認(rèn)識(shí)。在科學(xué)家眼中，月球的水一直是個(gè)有趣的問題。水的分布和形式能夠幫助解決一些深刻的問題。例如，水和其他揮發(fā)性物質(zhì)是如何到達(dá)太陽系內(nèi)部的？它是在那里產(chǎn)生的，還是被小行星或隕石帶到那里的？更多地了解某些特定化合物的信息，可以幫助我們找出這些問題的答案。
了解有多少水存在及其存在的位置，對(duì)于計(jì)劃人類登月和其他太空計(jì)劃同樣非常有用。行星科學(xué)研究學(xué)者James Mortimer與Mahesh Anand介紹，水是一種維持生命的重要資源，它也可以被分解成不同的部分，用于其他用途。比如，氧可以補(bǔ)充空氣供應(yīng)，或者被用來在月球表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，從而從月壤中提取其他有用的資源。
他們表示，水也能以液態(tài)氫和液態(tài)氧的形式成為火箭燃料。這意味著，月球或許有望成為深入太陽系或更遙遠(yuǎn)的太空任務(wù)的燃料補(bǔ)給基地。月球的低重力環(huán)境與缺乏大氣的情況說明，從那里發(fā)射所需的燃料比從地球上發(fā)射要少。因此，當(dāng)太空機(jī)構(gòu)談及月球的就地資源利用時(shí)，水一直是計(jì)劃的關(guān)鍵和核心。這也使得兩項(xiàng)新的研究格外令人興奮。
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