地球，這顆「藍色星球」，依靠大量珍貴的液態水，孕育出蓬勃生命。但與地球相隔僅38萬公裡的月球，卻一片荒蕪，寸草不生。
月球究竟有沒有水，科學家從未停下探索的腳步。如今，發表於《自然·天文學》的兩項新研究證實，月球表面可能充滿了水。
10月26日，《自然·天文學》雜誌刊發，美國航天局依靠平流層紅外天文臺(以下簡稱「索菲亞」)，在月球光照區-月球南半球的克拉維斯環形山表面，首次探測到了水分子。
這一發現表明，水可能分布在整個月球表面，而不僅限於寒冷、處於陰影的區域。換句話說，即使暴露在來自太陽的溫暖輻射下，水也能在月球表面存在著。
另一項研究則發現，月球南北兩極有4萬平方米的永久陰影區，而它們具有捕獲水的能力。
6微米波段，出現了水分子的輻射信號
確切地說，這並不是月球上首次發現水。
月球中有關水的探索，是從水的組分「出沒」中逐漸拼湊出來的。南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者，長期以來，科學家們一般通過「光譜」的遙感探測來尋找水分子信號，而水冰的光譜在2微米附近，有顯著的特徵，所以科學家們一般通過這些特徵來尋找月球上的水。
1998年，美國航天局的月球探勘者號探測器搭載了一臺中子光譜儀，在月球南北極探測到了氫元素的富集。但這可能來自水，但也可能來自任何含有氫的物質。
對於科學家來說，那些被陽光照射到的，溫度較高的區域是否有存在水，更加令人著迷。
2009年，印度月船1號、美國航天局的深度撞擊號和卡西尼號三個不同的探測器，在陽光照射的月球表面發現了有關水的微弱痕跡，但他們無法分辨那究竟是水，還是僅僅是水的組分「羥基」。
當時，這幾個探測器的光譜儀，波段大多在可見光到近紅外線的範圍，只能通過2.8-3.0微米波段的反射光譜吸收帶來判斷探測到的物質，而羥基、水在3微米波段附近有不同的吸收特徵，但當時的探測器沒能完整覆蓋這個區域，所以科學家們無法只能判斷，這到底是羥基還是水分子。
「當時有一種觀點認為，月球表面存在羥基，羥基結合上氫就可以形成水，而宇宙中氫是司空見慣的，所以有羥基基本上就可能有水，但也不能說有羥基就一定存在水分子。」周禮勇說。
想要明確分辨羥基和水分子，並非無計可施。水分子在6微米波段有個獨特的輻射信號，這是羥基完全沒有的特徵。
但是，想要檢測到這種紅外波段非常困難，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。而地面觀測器也無能為力，因為地球的大氣層中的水蒸氣會隔絕這部分波段的光。
於是，讓飛機帶著光譜儀飛到合適的高度進行檢測，就成為不錯的出路。執行這次特殊任務的索菲亞，便是一架改裝過的波音747SP噴氣客機。它搭載的FORCAST望遠鏡的觀測波段，覆蓋5-8微米，非常適合尋找6 微米波段有沒有水分子。
2018年8月，當時還在夏威夷大學攻讀博士學位的Casey Honniball及其合作者們用索菲亞搭載的FORCAST紅外望遠鏡，對月球正面光照區-月球南半球高緯度的克拉維斯撞擊坑一帶進行了觀測。結果天隨人願，他們在那裡的輻射光譜裡確實發現了6微米波段的輻射信號，說明確實存在水分子。
比撒哈拉沙漠幹100倍，每立方米含水量約等於一瓶礦泉水
在陽光照射的月表，水分子保留下來來之不易。此次的探測數據顯示，水被「困在」分布在月球表面的土壤中，濃度為百萬分之100至400，相當於每千克月壤中含有100-412毫升水。Honniball指出，這比撒哈拉沙漠乾燥100倍，但需要更多工作才能驗證水的含量，因為這一估值是基於月球表面的一個時間、一個地點的一次觀察結果得出的。
更令人著迷的是，這些水分子是如何保留下來的。
「有一種設想認為，可能是攜帶水的彗星，從距離太陽很遠的地方撞擊月球，將彗星上的水以某種形式束縛在了月球上;但也有可能是太陽風中的氫和月球表面的氧反應後，形成羥基，進而與氫離子結合形成水分子。」周禮勇說，含水的彗星等撞擊月球表面產生的能量熔化月球表面的巖石和土壤，當熔化物迅速冷卻成玻璃體時，彗星帶來的水就會被封入其中，可以在月球表面嚴苛的環境中長期存在。
「還有一種可能，就是水是月球原生的。」周禮勇表示，現在主流的觀點認為月球的形成過程沒有水，在遠離太陽2-3個天文單位之外，溫度低到雪線以下，水才會以固態形式參與行星的形成過程，進而保留在行星之中。地球、月球距離太陽只有一個天文單位，按理說不會有水，因而地球、月球上水的來源迄今仍然是科學家研究的重要問題。月球本身是否含有「與生俱來」的水，這個問題與月球的起源及經歷的地質演化密切相關。
陽光照射的月表，也存在水，是否可以據此推算出月表的總水量?當Honniball滿月球找水時，科羅拉多大學博爾德分校的Paul Hayne等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。
2009年10月，NASA的月球隕石坑觀測和傳感衛星(LCROSS)探測器部分撞擊月球南極附近的陰影區，在撞擊羽流中探測到了冰的證據，從而證實陰影區存在冰。
Paul Hayne等研究者計算了永久陰影區的面積，它們大約在40000平方千米左右，60%位於月球南極。他們認為，這些區域具有捕獲水的能力，也就是說，這4萬平方千米的月球表面都可能存在水分子。如果這些區域充滿冰凍，那麼冰的總量相當於幾十億公斤的水，但究竟有多少冰，還是一個未知數。
想開發利用得弄清分布、儲存結構等奧秘
「對於探索月球的人類來說，水是一種非常珍貴的資源。假如太空人需要在太空駐留半個月甚至更久，就 可以不用耗費巨資從地球上帶水而就地取材，供太空人使用。此外，隨著人類深空探測的腳步加快，前往太空途中，就需要建立中轉站，水能夠裂解成氫氣和氧氣，成為火箭燃料的原料，也可滿足太空人呼吸使用。如果月球有充足的水，就可以作為人類深空探測的落腳點。」提及應用前景，南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇，對未來充滿期待。
有數據顯示，現在從地球向月球發射一升瓶裝水的成本為3.5萬美元，如果能開發月球的水資源，那將極大降低探月成本。
不過，沒有大氣層保護，月表太陽照射面的水源是否可以利用?「這還需要弄清楚水在月表的分布範圍、埋藏的深度，是否能長期保存等等。」周禮勇認為，月表水是否能利用，該怎樣利用，需要做更多檢測，例如水含量是否足夠高，在哪些地區富集，是否能達到開採的級別，水在月表儲存的機制是什麼，需要用什麼樣的技術才能把水有效地收集起來。
「這些發現確實令人興奮，很有研究和應用的前景，但成本目前還無法預料。」周禮勇說。
前不久，美國航天局宣布與Intuitive Machines公司籤署了一份4700萬的合同，在2023年將探冰鑽頭運送到月球。月球表面究竟有多少水可以供給人類使用?現在還無法確定。(記者 金鳳)
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