科學家在接近真空的月球太陽照射面下發現水？這科學嗎？

最近NASA公布了在太陽的光照下的月球表面發現了水分子，如果對天文知識稍有了解的人一定會大惑不解，沒錯，我的第一反應就是：什麼鬼，怎麼可能？太扯了……

為什麼我會有這種反應？我簡單介紹一下月球的環境你就能理解了，月球表面重力是地球的1/6，沒有磁場保護，導致它大氣基本完全流失，其白天（向陽面）表面大氣壓僅為10^−7Pa，夜晚（背陽面）表面大氣壓更是低至10^−10Pa，接近真空狀態。相比之下，地球海平面的大氣壓為101325Pa，約為10^5Pa，相差12個數量級……在這樣的環境下，日照面的水早就氣化流失掉了，根本不可能留在月球表面。

你可能要問，這不還是有大氣嗎？為什麼水就留不住了呢？原因是這些氣體並非是月球的原始大氣，而是太陽風吹襲月球表面時滯留的部分的氦，和一些從月球內部通過放射衰變產生的較重元素如氬（原子序數18）和氡（原子序數86）等。即使是如此重的元素下，其日照下的氣壓也僅為10^−7Pa，在這樣的氣壓下，即使處於冰點的冰也會升華氣化，何況是處在160°C的高溫之下。而如此輕的氣態水自然是無法在月球大氣中長期逗留的，它們要不是進入永久陰影區固化成冰，就是會被太陽光輻射和太陽風吹走，因此，此次在太陽光照區發現水分子是件非常詭異的事情。

雖然一開始聽到消息時，我是不信的，但在詳細了解之後，發現這個發現還是很合理的，究竟是怎麼一回事？跟著我來了解一下吧。

此次的發現是通過紅外光譜分析發現的。我們知道，各種物質都會反射不同波長的光，導致我們看見了不同物體的不同顏色，這是由於這些物體吸收了特定的波長的光，然後其它光則透過或反射，在我們日常的感知裡，我們就看到了不同的顏色，但在光譜分析之下，則是吸收了特定的波長的光，這些被吸收的波長的部分就會在連續光譜中留下一些陰影，科學家稱這些被吸收的黑色譜線為吸收譜線，而不同的物質產生的吸收譜線是不一樣的，每一種元素的吸收譜線不一樣，甚至相同元素構成的不同分子的吸收譜線也不一樣，科學家稱之為特徵譜線。（想更詳細了解光譜分析的話，可以查看我在8月17日發布的文章）下圖是太陽光連續光譜被太陽大氣吸收後所產生的吸收線。

而這次NASA的發現就是通過水分子的反射光譜發現的。我們知道，水對於可見光基本上是透明的，也就是水分子不吸收任何可見光，但是，任何處於電磁相互作用的物質元素都不可能對所以波長的電磁波透明，水分子自然也不例外，其中最接近可見光波長的紅外線就能被水分子吸收，毫無疑問，這次的發現就是通過觀測紅外線實現的。

此次發現所使用的是一個安裝在一架波音747大型客機上的一個口徑為2.5米的反射望遠鏡，稱為平流層紅外探測天文臺，英文縮寫SOFIA，所以也被稱為索菲亞天文臺。它的探測範圍為5-8μm（微米）紅外波段，波長約為可見光波長（0.4-0.78微米）的10倍。

為了避開大氣層裡的水蒸氣幹擾，這架攜帶了天文望遠鏡的飛機會飛行到12000米-14000米的高空中中進行天文觀測，此處位於大氣層中的平流層，SOFIA索菲亞由此得名。

太陽光是一段連續光譜，除了人眼可見的可見光，還有大量的不可見的紫外、紅外輻射，索菲亞就專門觀測這部分的輻射，紅外輻射能穿透一些可見光無法穿透的物質，同時又會被一些可見光能穿透的物質反射，其中水分子就是這樣的能透過可見光而反射紅外光的物質。

跟很多物質一樣，包含氫原子和氧原子的水分子在反射紅外線時也會在特定波長產生吸收譜線，在較早的時候，科學家就在月球的向陽面發現了一些擁有特定吸收譜線的氫氧分子，但由於探測設備波長的限制（小於3微米波長）並不確定是否為水分子（H2O），由於一般認為太陽向陽面無法保留水分子，會被太陽紫外線電離，所以科學家懷疑那只是一些羥基（HO）化合物。而這次的索菲亞天文臺擁有5-8微米探測範圍，這個波長範圍覆蓋了6.1微米附近的水分子特有特徵譜，因此此次探測確定了所探測到的氫氧分子就是水分子H2O。

身份確定了，但問題來了，這些水分子是怎樣呆在太陽直射區的？此次探測到水分子的撞擊坑位於月球南緯55°以上的高緯度地區，但表面溫度依然高達80°C左右，這樣的高溫加上紫外線的直射，不太可能存在固態、液態甚至氣態的水……論文作者給出了一個較為合理的猜測：這些水分子可能是被封閉在一些晶體比如玻璃裡的。而這些晶體則可能是由於微小隕石撞擊月面時產生的高溫下形成，至於裡面水分子也是微隕石帶來或在撞擊過程中在高溫下化合形成。

總之這一次的發現給月球開發帶來一個非常好的消息，月球並不像我們過去了解的那麼荒蕪，它可能到處擁有生命之源的水，在地外，水不單可以作為維生的資源，同時也可以電解後作為火箭的燃料，為將來開發月球提供額外的資源。雖然目前探測到的這個撞擊坑內的水含量很低，但這畢竟是從無到有的本質區別，水在地外可能比我們想像的更加普遍。