天文探索：這一次，是真的確定月球上有水！

圖片來源： ESA/NASA
對於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，這兩種氣體對於火箭燃料製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岩，它們實在是太幹燥了，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生的。為此，M3小組還曾請求NASA的“深度撞擊”號在經過月球時打開光譜儀進行一次檢測。“深度撞擊”號返回的數據確認了M3團隊的結果。他們在綜合了更早在1999年“卡西尼”號執行任務時的光譜數據後，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”號發現水/羥基的信號會大約在表麵來回持續數天，這說明很有可能是與月球表麵岩石結合很鬆的水造成的，而不僅僅隻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》雜誌。
月球一定有水
為了排除羥基產生的信號可能，NASA戈達德航天中心的科學家決定再次對光譜數據進行重複檢測。這一次，為了更精確地保證紅外吸收光譜數據是水產生的，他們決定檢測6微米紅外波段信號，這一紅外波段信號，隻有可能是兩個氫原子和一個氧原子產生的，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。而如果想要在地麵來對其檢測也是不現實的，地球的大氣層中的水蒸氣會隔絕這部分波段的光，因此地麵觀測器也無能為力。
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。現實中，我們的確已經擁有了這種工具——平流層紅外天文觀測台（SOFIA），它實際上是一架改裝過的波音747SP噴氣客機，這架客機攜帶了一台直徑100英寸（約為2.54米）的望遠鏡，用紅外光來觀察宇宙用於研究附近的星係，黑洞，彗星等。

SOFIA。圖片來源：NASA and Jim Ross
SOFIA飛行的區域，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域。而SOFIA裝配的FORCAST光譜儀有能進行6微米紅外光檢測，並且能同時觀測月球。至此，這架改裝的波音客機就滿足了所有的觀測條件。
在發表於《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，克拉維斯環形山中有一種分子在吸收了輻射後釋放出了這一信號，而這一次研究者能肯定，月球上隻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麵的玻璃中或者被夾在了微小的岩石灰之間。在這些地方，水分子能避免被高溫和真空環境帶走。
“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，這些物質會急速冷卻並形成玻璃。無論這些水是在撞擊時產生的，還是小隕石帶來的，它們都可能最後被儲存在玻璃中了。”
究竟這些土壤能存有多少水？就SOFIA觀測數據來看，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——位於月球極點永久陰影區的環形山。在高緯度條件下，高聳的環形山就能造就一處陽光永遠照射不到的區域。在這些地方，溫度永遠不會高於-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據，《自然-天文學》另一篇論文的研究者們計算了永久陰影區的麵積，大約在40000平方千米左右，60%位於月球南極。無論水是來自隕石、彗星或者其他天體，任何出現在該區域的水分子都會被凍結到和岩石一樣硬。即使陽光照射區域很難有水分子存在，但隻要物體撞擊月球表麵時，水分子被衝擊漂移到永久陰影區，那麽這些水就會停留在月球上。

可能藏有水的永久陰影區。圖片來源：NASA
也就是說，這4萬平方千米的月球表麵都可能存在水分子。盡管這項研究並沒有計算具體能存在多少水，但是研究者之一Paul Hayne表示想要在這個區域獲得任何東西都不難。可能我們需要的隻是一輛能出入永久陰影區挖掘冰岩的探測車，將冰岩帶到太陽照射區域來就行了。

NASA將發射一個帶有光譜儀的探冰鑽頭到月球表麵。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年將探冰鑽頭運送到月球。月球表麵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
引進鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-1198-9


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