《自然》子刊同期刊發兩篇重磅論文：月球上的水很多

是的，月球上有水。這個結果再一次被證實，未來人類甚至可能更廣泛地採集到它們。

美國國家航空航天局（NASA）的最新研究發現，月球上可能有多達 6 億噸的水冰，有一天有望幫助登月者長期生存，它甚至可以變成就地取材的火箭燃料，只需要將水分解為氧氣和氫氣，然後保存。

以前，我們從未知道月球上實際上有多少水，這些資源到底存儲在什麼地方，以及如何獲取和提煉，科學家們也從未真正了解過那裡的水是如何產生的。

我們仍然沒有這些問題的確切答案，但是 10 月 26 日發表在《自然天文學》上的兩項新研究確證，月球上的水並未如科學家們曾經想過的那樣完全被隱藏起來，一些水冰可能就埋在月球陰影的土壤中。

美國宇航局天體物理學部門主任保羅・赫茲（Paul Hertz）在周一的新聞發布會上說：「這些發現表明，水可能分布在整個月球表面，而不僅限於月球兩極附近陰冷的地方。」

圖｜科學家對月球水資源分布的猜想圖（來源：ESA）

兩項天文研究論文同時發表

同一時間發表在《自然天文學》雜誌上的兩篇論文，產生了一些讓人激動的關聯性見解。

其中一項，研究人員認為他們直接在月球表面探測到了水分子的分布；另一項研究，則是根據數據模型推測，水冰可能被封存在遍布月球表面的大小隕石坑和陰影中，使得月球水資源比我們想像的更豐富、更容易獲取。

第一篇論文名為 「Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA」，即利用 SOFIA 在陽光照射的月球表面檢測到分子水。

SOFIA 是一個平流層紅外天文臺，它的外觀是一架波音 747SP 飛機，經過改裝，搭載了一個 2.7 米（106 英寸）反射望遠鏡（有效直徑為 2.5 米）。當它飛在 12000-15000 米的高空平流層時，可以大幅降低地球大氣層對紅外天文觀測的影響，從而使天文學家能夠以地面望遠鏡無法做到的方式，研究太陽系內層及其他範圍的天體。

圖｜SOFIA 打開望遠鏡艙門，飛過內華達山脈上空（來源：NASA）

在這項實驗中，研究人員基於 SOFIA 平臺對月球進行觀測，它使用的是天體化學中最常用的方法 —— 光譜分析法。通過紅外光譜檢測分析，研究人員估算出水分子的豐度約為每克土壤含 100 至 400 微克 。

通過不同緯度地區的掃描觀測，科學家發現，在探測到的高緯度區域，顯示出較高的分子水豐度；在低緯度地區，大部分位置都沒有發現水合作用，但是在部分地質裂縫或火山碎屑沉積物地帶是例外，也能觀察到分子水。科學家由此推測，月球水資源在低緯度區域的分布可能是局部地質活動的結果，而非普遍現象。

圖｜測量位置圖（來源：Nature Astronomy ）

科學家總結，目前探測到的大部分水儲存在月球表面特殊的 「玻璃珠」 物質中，或者儲存在遠離月球惡劣環境的特殊地質構造中，這樣水才能留在月球表面。

圖｜不同緯度下，SOFIA 在 6 µm（黑色）和 3 µm（紅色）下測量的分子水豐度當量數據（來源：Nature Astronomy ）

另一篇研究論文名為 「Micro cold traps on the Moon」（月球上的微型冷阱），更多是一項推測研究。

由於高溫和直接太陽照射下的快速揮發，即便月球上有水，其在月球的大部分表面上都是不可能穩定存在的。

然而，水冰的形式則有可能。由於月球表面的特殊地形加上自旋規律，月球表面存在很多永久陰影區域（PSR），在某些極地 PSR 中，溫度足夠低（<110 K），因此能以水冰的形式長期封存水資源，這些區域被稱為 「冷阱」，通過某些天文撞擊（主要是來自柯伊伯帶的、富含水分的彗星的撞擊）或者意想不到的其它方式在月球上產生了水，最終可能會以冰的形式冷滯於月球兩極。

圖｜一系列月球上上的陰影地帶（來源：Nature Astronomy）

研究人員使用理論模型和來自 「月球偵察軌道」 的數據，在大的陰影區之外，估計了 1 cm-1 km 尺度大小的陰影的貢獻，這些微冷阱是月球上數量眾多，其中約有 10%-20% 的永久性冷阱區域被發現可能含有水。考慮到所有空間尺度，可能含有水冰的總面積約為 40000 平方千米，這大大超過了先前的估計，其中約 60％位於月球南部。科學家在大於 80° 的緯度處發現了能用於儲存水冰的冷阱。

這些結果表明，被封存在月球極地的水可能比以前認為的分布更廣泛，有望作為未來登月任務的資源。

圖｜阿耳特彌斯計劃在月球建設基地的暢想（來源：NASA）

樂觀背後的未知數

「這是我們第一次可以肯定地說水分子普遍存在於月球表面上。」 美國宇航局戈達德太空飛行中心的研究員，《國際水土保持研究》的主要作者凱西・霍尼鮑爾（ Casey Honniball）表示。

SOFIA 的觀察結果表明，水分子可能以特殊的方式結合到了月球表面的一些 「玻璃珠」 特殊結構中，使水分子可以承受陽光照射，這些 「玻璃珠」 散布在整個月球表面的土壤中，按照目前的數據推算，所含的水量相當於每立方米土壤中有 350 毫升水。

乍一看，這對人類探索月球乃至開拓月球極地來說是個天大的好消息，但是，這項研究仍然存在許多未知數。

如果水像預期那般被封存在玻璃珠中，那將需要大量的工作才能提取出來。霍尼鮑爾補充說：「提取水的方法是熔化玻璃，以便釋放水。」 「與其他一些方法相比，這是一個消耗過程。」 在月球上大功耗的工作目前可能不太現實。

當涉及到微小的冷阱時，科學家實際上也不完全確定是否有水冰潛在於其中，雖然它們的條件可能正好適合儲存水冰，但研究人員並沒有直接發現冷阱中的水。

玻璃珠中所含的水量很少，但對人類有用，其他陰影區域的水含量可能更高，對於一個長期以來被認為是乾旱和死亡的星球來說，這些發現似乎難以理解。「這是一個新的領域，我們以前沒有真正仔細研究過。」 克萊夫・尼爾（Clive Neal）說，他是聖母大學的行星地質學家。

相關研究目前並不完美。對於這些含水玻璃珠是如何形成的，目前沒有明確的解釋。霍尼鮑爾認為它們很可能來自小行星或彗星撞擊，也可能是古代月球火山活動的結果。尼爾指出，SOFIA 的研究尚不能提供一個完整的參考，水分子在整個月球周期中是如何變化的，仍需要大量的觀察來證實這兩項研究的可靠性。

圖｜用於探測水冰的月球著陸器概念圖（來源：Intuitive Machines）

值得關注的是，在阿耳特彌斯計劃帶領太空人重返月球的準備階段，美國宇航局還在計劃發射一系列機器人任務，或將有助於確定月球上的水冰含量。

這些任務中最引人注目的是 VIPER，這是一項計劃於 2022 年發射的月球南極漫遊車任務，搭載了中子光譜儀和一臺針對 「風化層和冰層」 的專業鑽探設備來勘探，目標是評估月球表面及以下積冰的跡象；在此之前，一家名為 Intuitive Machines 的私人公司表示，他們也計劃在 2022 年將機器人著陸器送至月球表面，並配備與 VIPER 相同的鑽頭，該任務也將與 NASA 合作，證明鑽機是否能夠有效工作並獲取其中的一些水冰樣本。

根據現在新的發現，美國宇航局可能會選擇稍微改變 VIPER 的目標以研究外星球地表水分子，並仔細觀察微型冷阱如何有效地保存水資源。

重返月球有了更多期望

「我們越看月亮，似乎越不了解它。現在，我們有更多的理由重返月球。我們必須深入研究並獲取樣本，並建立監控站，以實際獲取確定的數據來研究在月球上的水循環。」 尼爾指出。

到目前為止，在月球上尋找水冰的方法，一直集中在月球最冷的地方，比如那些大型極地環形山的陰影中，遺憾的是，那裡的溫度下降到了零下 200 攝氏度，降落到那裡的飛行器可能會遇到意外難以離開。現在研究的這些微型冷阱可能存在水冰，但難以估計其沉積深度。

月球上積聚的冰層可以像年輪一樣記錄數十億年的太陽系歷史，但如何深入研究仍然是一個懸而未決的問題。

月球上發現水分子並不是新鮮事，科學家早在幾十年前就發現了可能的水痕跡。

大約 40 年前，美國宇航局阿波羅任務帶回的月球土壤樣本確實顯示出了水的跡象，但當時大多數研究樣本的科學家都認為，這些數據來自休斯頓潮溼空氣的 「汙染」，在美國宇航局詹森航天中心對巖石進行分析之前被滲入了。

2009 年，印度的月球探測器 「月船 1 號」 發回的月球表面光譜中發現了水元素的譜線，科學家據此認為月球表面的大部分地區存在水分子。近年來，許多探測任務都發現了月球表面存在水或水冰的跡象，但都缺乏確鑿的證據或者獲得樣本實物，本次研究無疑強化論證了之前的推測。

人類雖然曾經成功登月，但迄今對月球上的資源了解並不算太多。如果人類能發明出新技術對月球水冰進行開採，無疑將開啟人類太空探索的新紀元，因為它不僅可以滿足太空人在月球基地中的呼吸、飲水需求，而且能製成火箭燃料，為更遙遠的星際旅行作準備。

不論是對月球還是火星，前期探索都只能提供宏觀的參考，更現實的計劃或許還需要建立長期有科學家駐守的月球基地，深度研究月球資源的可利用性。

或許，2024 年帶領人類重返月球的阿耳特彌斯計劃，能真正揭曉月球水資源的神秘面紗。