科學好故事｜月球上到處都是「水」，但不是你想像的那樣

　　來源：GIZMODO； Space.com；BBC Science；the Guardian

　　撰文：喬治·德沃爾斯基；切爾西·古德；維多利亞·吉爾；琳達·格迪斯

　　翻譯：任天

　　在人類探索太空的漫長徵途中，尋找液態水一直是一項重要議題，因為液態水是判斷一個星球是否存在外星生命的重要指標，曾經有不少關於在宇宙中探測到水的蹤跡的消息讓人們屢屢燃起尋找地外生命的希望。

　　最近，美國國家航空航天局（NASA）發布了一條關於月球的「令人興奮」的消息。正如許多人猜測的那樣，這一發現與月球表面的水有關。這項新研究不僅提供了迄今為止月球上存在水冰的最充分證據，而且表明這種寶貴的資源就分布在月球表面，包括一些暴露在陽光直射下的區域，以及一些處於極端低溫條件下的永久陰影區。

　　這項發現重新定義了我們對月球的了解，以及這顆地球天然衛星儲存水的能力。水是珍貴的自然資源，長期以來，科學家們一直懷疑月球上存在冰凍水，尤其是兩極。但新研究提供了迄今為止最明確的證據，在月球受陽光照射的表面探測到了真正的水分子。研究人員還發現了大量被稱為「冷阱」的陰暗角落，其中可能隱藏著冰凍的水。

科學家在月球受到陽光照射的區域發現了水分子的跡象

　　水冰在月球上的存在不僅在純粹的科學角度上十分重要，而且對未來月球表面的任務也有重大的影響。NASA即將進行的「阿耳忒彌斯」任務的一個重要目標，就是收集並帶回月球南極地區的水冰。現在看來，這一目標比以往任何時候都更有可能實現。更重要的是，月球存在豐富的水冰意味著我們可以就地獲取水源。這對未來的月球探險家或殖民者來說無疑是個極好的消息了。

　　精確掃描月球表面的水分子

　　由於缺乏大氣保護，月球直接受到太陽射線的影響，因此人們一直認為月球表面是乾燥的。直到20世紀90年代，軌道飛行器在月球南極附近的大型隕石坑中探測到明亮的斑點，暗示了水冰存在的可能性。之後在2009年，從印度「月船一號」太空飛行器上搭載的一臺NASA成像光譜儀傳回的數據中，科學家發現了與月球表面反射光線中同樣的情況，顯示了數十個似乎充滿水冰的小隕石坑。2016年，殘留的水冰痕跡被認為是月球軸心傾斜的證據。

月球上的冷阱示例，這些區域永久地出於陰影中

　　然而，儘管有諸如此類的發現，但月球上存在水分子的實際證據仍然只基於3微米的光譜特徵——科學家用來識別物質的獨特「條形碼」。這裡涉及一個問題，由於技術上的限制，在這個波長下，科學家無法知道這到底是水分子，還是礦物中的羥基。

　　為了克服這一局限性，科學家利用「平流層紅外天文臺」（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，簡稱SOFIA）對月球表面進行了新的測量。SOFIA其實是一架改裝後可在高空飛行的波音747大型噴氣式飛機，配備了一臺2.7米的反射望遠鏡。利用這臺望遠鏡，研究人員檢測到了6微米波長下有別於其他羥基化合物的水分子光譜特徵。這種特徵出現在月球南半球的高緯度地區，顯示水含量在100至400ppm（百萬分之一）之間。根據NASA的新發現，這大致相當於一瓶355毫升的水分散在一立方米的月球表面土壤中。

　　令人難以置信的是，這些水是在陽光直射的地方發現的。這些水可能儲存在月球表面的玻璃狀晶粒中，或保存於塵埃顆粒之間，免受太陽光線照射的影響。這項研究是第一次「充分地」探測到月球表面的水分子，不同於之前在3微米波長下觀察到的可能會混淆為羥基化合物的特徵。

　　羥基化合物可以由太陽風中的質子與月球上的氧氣分子（如巖石中所含的氧氣）碰撞而形成，而水的形成則更加困難。因此，月球上的水可能是通過不同的過程形成的，比如古代月球的火山活動，或是由撞擊月球的小行星和彗星等物體帶來。在展望未來的工作時，科學家希望能看到更多的SOFIA數據，或者其他能夠進行6微米掃描的儀器所探測的數據，以繪製月球表面水分布的全部範圍。

月球勘測軌道飛行器拍攝的克拉維斯環形山。SOFIA天文臺探測到了陰影處存在水冰的跡象

　　事實上，研究小組的觀測範圍僅限於巨大的克拉維斯環形山，這是月球上最大的隕石坑之一，也是南半球一個陽光充足的區域，直徑達230.77公裡，深度約4.9公裡。在將來的觀測中，研究人員還需確定其他陽光照射的區域是否也有類似的水含量。最終繪製出一幅月球的水文地圖，顯示月面所有含水相對豐富的區域。

　　這些水分子似乎被困在玻璃中，而不是在月球表面上自由活動。因此它們可能在月球上廣泛存在，而不僅限於極端低溫的極地地區，游離水分子需要被冷卻到110開氏度（零下163攝氏度）以下才能存留很長時間，而這種情況只會發生在寒冷的環境中。從黑暗的、陡峭的環形坑中採集水冰將是一項危險的任務，因為那裡的溫度很少在零下230攝氏度以上。如果事實證明在非永久陰影區也存在大量的水，那將對採集這種寶貴資源帶來極大的便利。

SOFIA天文臺由一架波音747飛機改裝而來，其機載望遠鏡探測到了月球上水分子存在的證據

　　科學家們需要確定這些水分子的穩定性，以及隨著時間推移，會有多少水可能流失到太空中。這一發現「提出了水如何產生，以及這些水如何在月球表面持續存在的問題」。科學家考慮的不僅於此，他們還想知道未來的太空人將如何獲取這些水，這些水又是如何影響月球塵埃的化學組成，以及是否會對鑽機等設備產生影響。

　　永久陰影區中的「冷阱」

　　除了可能被困在玻璃或塵埃中的水分子，這項發現還提出了一種可能性，即月球上的一些隱蔽角落可能散布著冰凍的水。在《自然-天文學》雜誌上的另一篇論文中，研究小組報告稱，月球上隱藏的水冰可能比之前預計的更加普遍。在月球表面永久處於黑暗中的特殊區域，存在著大量大小不一的「冷阱」，可能為水冰的長期保存提供了條件。

　　如果站在月球的一個極點附近，你會發現到處都是這樣的陰影，很多這樣的細小陰影可能就是水冰。

　　以沙克爾頓隕石坑為例，這是一個直徑21公裡、深約4.2公裡的窪地。隕石坑的某些部分呈一定角度，因此其內部的一些地方總是處於陰影中，溫度穩定在零下184攝氏度左右。月球勘測軌道飛行器發現了許多可能存在的冷阱，有些只有硬幣大小。由於月球獨特的自轉傾斜角度，使月球極區的許多冷阱吞沒在完全黑暗的環境中，時間已有數十億年。這些冷阱是幾十億年來彗星和小行星撞擊月球後留下的「傷疤」。彗星可能會帶來水、二氧化碳和甲烷等物質，其中大多數會在陽光下分解並逃逸到太空中，而如果這些化學物質進入冷阱，則可能避免蒸發，被凍結數十億年。

　　冷阱的溫度如此之低，以至於冰會像巖石一樣，如果水進入那裡，那麼在數十億年的時間裡都將無處可去。根據這項研究，月球極地附近分布著數量驚人的小型冷阱，其面積達40000平方公裡。儘管這隻佔月球表面的0.15%，但其廣泛存在可能也會降低登月國之間發生衝突的風險。

　　大約60%的冷阱位於南極點附近。由於極地地區分布著數十億個潛在的儲庫，人們的關注點應該從少數幾個著名的大型隕石坑轉移到研究所揭示的眾多潛在的著陸點上，先前的研究估計，月球上的冷阱面積約為18100平方公裡，而最新研究大大提高了這一數字。

　　最新研究結果表明，月球兩極所捕獲的水可能分布十分廣泛，作為未來月球任務的資源之一，這些水可能比以前認為的更容易獲得。

　　不過，需要指出的重要一點是，該論文只指出了月球表面具有儲存水的能力，而實際上並沒有提供水冰存在於這些冷阱內的證據。科學家還需要通過探測器或載人任務來完全驗證這些水冰的存在。在未來重返月球的計劃中，這一新發現將具有重要的意義，不僅對太空人的生存至關重要，也有助於建立長期的人類營地，並使月球成為前往火星的試驗場和跳板。

美國國家航空航天局希望重返月球，其「阿耳忒彌斯」計劃預計將在2024年發射

　　如果這項新研究是對的，那麼在月球上人類將更容易獲得水源，可以作為飲用水和火箭燃料，以及其他需要用到水的NASA任務，太空人可能不需要進入這些深深的黑暗陰影中……他們可以四處走走，找那些一米見寬的「冷阱」，裡面很可能就有水冰。

　　這些冷阱中存在的水可能來自於彗星、小行星、月球火山活動，或由太陽風引起的化學反應，也可能來自於在玻璃中發現的水分子的釋放。這些玻璃是由撞擊產生的熱量而形成的，「基本上相當於引入了一個新的潛在全球儲庫」。

　　對未來登月的意義

　　月球現在比以往人們想像的更適合儲存水。這對未來的登月任務有著巨大的影響，因為月球探險者有機會就地尋找水源，可以避免從地球向月球大量運輸水的麻煩。當然，目前我們還不清楚從月球表面收集水冰難度如何，但新的研究或許能帶來樂觀的理由。利用這些水冰，不僅可以生產飲用水，也可以用來製造火箭燃料。

　　如果水真的廣泛存在，即使是被困在月表的玻璃中，你也可以想像在月球表面進行露天開採，可能是一種很可行的取水方法，但如果你在月球上想要喝一杯馬提尼酒或飲用水，或者想給標準的液氫液氧火箭補充燃料，那這些水將是非常有用的。

2019年5月，在法國南部坎城拍攝的月球

　　克服重力將地球上的水運過來會非常昂貴，因此在月球上取水可以讓月球探索變得更便宜，也讓太空加油成為可能。當然，研究者還需要確認月球表面上水源延伸的深度。如果只局限於最表層的幾微米或幾毫米，那這些水的實際意義將微乎其微。唯一能找到答案的方法就是前往月球，開始鑽探。這可能並不遙遠。

　　對於「阿耳忒彌斯3」任務而言，這是一個利好消息，因為這意味著他們有更大機會在月球南極地區找到水源。按照計劃，該任務將在2024年將太空人（包括一名女太空人）送上月球。俄羅斯也計劃在2025年進行一次月球任務，包括一臺英國科學家正在研發的機器人，可以鑽取月球表面1米以下的土壤樣品。

　　尋找月球之水的行動持續了三十餘年，雖然現已證實月球上的確存在大量的水，但未來人類仍需繼續追溯月球之水的來源和變遷歷程，這將對未來其他星球的觀測探測活動具有重大的參考價值。尋水之跡，覓生命之蹤，讓我們拭目以待。