在太空探索時(shí)代開(kāi)始后的大部分時(shí)間里，我們都很難確定月球存在水。直到2009年，一項(xiàng)研究根據(jù)光譜數(shù)據(jù)給出了月球可能存在水的證據(jù)。不過(guò)，當(dāng)時(shí)使用光譜測(cè)量手段獲得的數(shù)據(jù)并不能消除部分疑慮，例如羥基也能產(chǎn)生一樣的光譜信號(hào)。
現(xiàn)在，NASA科學(xué)家通過(guò)裝在波音客機(jī)上的天文觀測(cè)臺(tái)，終于檢測(cè)到了屬于水分子的光譜，明確地證實(shí)了月球上存在水。
對(duì)于想要探索月球的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，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(duì)于火箭燃料制備和人類(lèi)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(shí)花費(fèi)大量的金錢(qián)和空間從地球運(yùn)輸水資源。
早在2009年，NASA就利用印度“月船1號(hào)”探測(cè)器攜帶的“月球礦物繪圖儀”（Moon Mineralogy Mapper，簡(jiǎn)稱(chēng)M3）對(duì)月球隕石坑進(jìn)行成像。當(dāng)時(shí)，M3意外在克拉維斯環(huán)形山檢測(cè)到了3微米紅外波段的信號(hào)，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(xué)家曾檢測(cè)過(guò)阿波羅任務(wù)帶回來(lái)的月巖，它們實(shí)在是太干燥了，幾乎檢測(cè)不到水分子的存在，大家也一直都在爭(zhēng)論這種紅外光信號(hào)到底是否是水產(chǎn)生的。
為此，M3小組還曾請(qǐng)求NASA的“深度撞擊”號(hào)在經(jīng)過(guò)月球時(shí)打開(kāi)光譜儀進(jìn)行一次檢測(cè)?！吧疃茸矒簟碧?hào)返回的數(shù)據(jù)確認(rèn)了M3團(tuán)隊(duì)的結(jié)果。他們?cè)诰C合了更早在1999年“卡西尼”號(hào)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的光譜數(shù)據(jù)后，確認(rèn)了月球真的有可能存在水或者羥基。
當(dāng)時(shí)的研究稱(chēng)，“深度撞擊”號(hào)發(fā)現(xiàn)水/羥基的信號(hào)會(huì)大約在表面來(lái)回持續(xù)數(shù)天，這說(shuō)明很有可能是與月球表面巖石結(jié)合很松的水造成的，而不僅僅只是結(jié)合緊密的羥基獲得的結(jié)果。這些研究也在當(dāng)年登上了《科學(xué)》雜志。
月球一定有水
為了排除羥基產(chǎn)生的信號(hào)可能，NASA戈達(dá)德航天中心的科學(xué)家決定再次對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)。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(cè)6微米紅外波段信號(hào)，這一紅外波段信號(hào)，只有可能是兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子產(chǎn)生的，也被稱(chēng)作H-O-H彎曲振動(dòng)。
但是，想要檢測(cè)到這種紅外波段非常困難，因?yàn)槟壳暗脑虑蛱綔y(cè)器上都沒(méi)有裝載能檢測(cè)6微米紅外波段的光譜儀。而如果想要在地面來(lái)對(duì)其檢測(cè)也是不現(xiàn)實(shí)的，地球的大氣層中的水蒸氣會(huì)隔絕這部分波段的光，因此地面觀測(cè)器也無(wú)能為力。
不過(guò)，還有另外一種出路，那就是讓飛機(jī)帶著光譜儀飛到合適的高度進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)克服大氣層給出的難題?，F(xiàn)實(shí)中，我們的確已經(jīng)擁有了這種工具——平流層紅外天文觀測(cè)臺(tái)（SOFIA），它實(shí)際上是一架改裝過(guò)的波音747SP噴氣客機(jī)，這架客機(jī)攜帶了一臺(tái)直徑100英寸（約為2.54米）的望遠(yuǎn)鏡，用紅外光來(lái)觀察宇宙用于研究附近的星系、黑洞、彗星等。
SOFIA。圖片來(lái)源：NASA and Jim Ross
SOFIA飛行的區(qū)域，能遠(yuǎn)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(jìn)行6微米紅外光檢測(cè)，并且能同時(shí)觀測(cè)月球。至此，這架改裝的波音客機(jī)就滿(mǎn)足了所有的觀測(cè)條件。
在發(fā)表于《自然-天文學(xué)》的一項(xiàng)研究中，NASA的研究月球的科學(xué)家Casey Honniball和同事就利用SOFIA重新檢測(cè)了2009年用3微米紅外光檢測(cè)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(hào)，他們確定在太陽(yáng)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(hào)，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(diǎn)。
“我們無(wú)法想到月球上除了水還會(huì)有其他物質(zhì)能顯示出6微米光譜的信號(hào)特征。”Honniball和她的同時(shí)在論文中寫(xiě)道。研究推測(cè)，這些水分子很有可能被儲(chǔ)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(rèn)為水會(huì)在玻璃中?！盚onniball表示，“當(dāng)小隕石撞擊月球時(shí)，會(huì)融化一些月球物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)急速冷卻并形成玻璃。無(wú)論這些水是在撞擊時(shí)產(chǎn)生的，還是小隕石帶來(lái)的，它們都可能最后被儲(chǔ)存在玻璃中了。”
究竟這些土壤能存有多少水？就SOFIA觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，水的豐度大約是100ppm至400ppm，也就是大約每千克的月球土壤中含有100毫克~400毫克的水，就像一滴雨水撒在了月球大地上的感覺(jué)。
永久陰影區(qū)的“水庫(kù)”？
與此同時(shí)，科羅拉多大學(xué)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(diǎn)——位于月球極點(diǎn)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(yáng)光永遠(yuǎn)照射不到的區(qū)域。在這些地方，溫度永遠(yuǎn)不會(huì)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(cè)軌道飛行器的數(shù)據(jù)，《自然-天文學(xué)》另一篇論文的研究者們計(jì)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(wú)論水是來(lái)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(huì)被凍結(jié)到和巖石一樣硬。即使陽(yáng)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(shí)，水分子被沖擊漂移到永久陰影區(qū)，那么這些水就會(huì)停留在月球上。
可能藏有水的永久陰影區(qū)。圖片來(lái)源：NASA
也就是說(shuō)，這4萬(wàn)平方千米的月球表面都可能存在水分子。盡管這項(xiàng)研究并沒(méi)有計(jì)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(gè)區(qū)域獲得任何東西都不難。可能我們需要的只是一輛能出入永久陰影區(qū)挖掘冰巖的探測(cè)車(chē)，將冰巖帶到太陽(yáng)照射區(qū)域來(lái)就行了。
NASA將發(fā)射一個(gè)帶有光譜儀的探冰鉆頭到月球表面。圖片來(lái)源：NASA
而就在上周，NASA剛宣布與Intuitive Machines公司簽署了一份4700萬(wàn)的合同，在2023年將探冰鉆頭運(yùn)送到月球。月球表面究竟有多少水可以供給人類(lèi)使用？相信我們很快就能獲得這些答案。就像Honniball說(shuō)的，為了獲得這些玻璃中的水，可能要花費(fèi)大量燃料融化玻璃來(lái)提取。這些成本一定比從地球運(yùn)輸水的支出少嗎？現(xiàn)在還無(wú)法確定。
但我們都期望有一天，月球基地旁邊就有一塊能開(kāi)采水資源的區(qū)域，這也是敦促人類(lèi)再次踏上月球的極大驅(qū)動(dòng)力。
原始論文：
https://www.nature.com/articles/s41550-020-1198-9
Micro cold traps on the Moon
https://www.nature.com/articles/s41550-020-01222-x
Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA
聯(lián)系客服
