月球表面的水可能比想像的更多

2020-10-29 國家地理中文網

兩項新研究正幫助科學家弄清楚，在地球的衛星月球上，究竟有多少水以及這些水在哪裡。

供圖：NASA/GSFC/ARIZONA STATE UNIVERSITY


撰文：MAYA WEI-HAAS

　　多年來，科學家們一直在努力探索月球上神秘的水。現在，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。

　　其中一項研究提供了首個確鑿的證據，證明在月球表面照射到陽光的地帶，水分子就附著或被包裹在月球土壤顆粒中。另一項研究則模擬了月球上永久處於陰影中的一小片區域，發現在這片面積約39885平方公裡的地方（相當於近750萬個足球場），溫度低到足以產生冰，而且冰量比之前以為的多20%。

　　通過研究水在月球表面的存在形式以及位置，科學家們希望更好地了解月球神秘的水循環。地球上的水通過河流和降水循環，月球則不然。月球上的水可能源於太陽風中的氫和表面的氧發生反應，以及撞擊地面的冰隕石。月球上的水可能也會從光照區向陰影區移動。

　　但這些水確切的流動情況，以及從光照區向陰影區移動的可能性，仍是一個謎。「想要知道它們之間是否有關聯，我們還有大量工作要做，」馬裡蘭大學的行星科學家Jessica Sunshine說。她沒有參與這兩項研究，但表示新研究「提出的過程比我們之前想的更複雜」

　　這項工作對於未來人類的月球之旅以及前往更遠的星球至關重要，包括NASA即將開始的阿特米斯衛星任務，首位女性和另一位男性太空人將登上月球。水和冰的存在意味著可以開採水資源，並轉化為燃料，減少未來太空人在地外探險時必須承載的負擔。

　　我們對地球衛星的認知也在慢慢轉變，月球上的水就是其中一部分。曾幾何時，這個充滿活力的世界被認為是一片荒蕪的土地，事實上這裡的水不僅來源複雜，而且有多種形式。

　　「這是一個緩慢的循環，」科羅拉多大學博爾德分校的行星科學家、陰影區研究的首席著者Paul Hayne說：「但它終究是循環。」

水世界

　　月球是一個極熱且極冷的世界。白天時，月赤道附近的溫度可達炙熱的121度，而夜間溫度則會降至寒冷的零下133度。再加上沒有厚厚的大氣層的保護，蒸發掉的水分會迅速逸散到太空中。

　　但令科學家高興的是，在陽光照射的月球表面，似乎仍留有水的微弱痕跡。2009年，三艘宇宙飛船上的儀器證實了這一發現，但有一個問題：分析結果無法辨別水和羥基。

　　研究人員利用紅外線，在月球表面尋找水的特徵。NASA戈達德太空飛行中心的博士後研究員、分子水研究的首席著者Casey Honniball告訴我們，就像可見光透過稜鏡，「紅外線也有自己的彩虹，雖然我們看不見」。早期的分析集中在水和羥基都發光的紅外光譜部分。通過選擇光譜的不同部分，Honniball和同事把注意力集中在水分子（H2O）上。

　　「我真的不知道為什麼沒人早點想到這一點，這是個非常棒的想法，」Sunshine說。她曾於2009年在月球上探測到了水的信號。

　　在新研究中，Honniball和同事收集了平流層紅外線天文觀測臺（安裝在大型噴氣式客機的一個紅外望遠鏡）在2018年的一次飛行中收集的數據。幾個月後，Honniball處理這些數據時，發現了水的信號。「我想我當場尖叫了起來，」她說。

　　雖然有水存在，但水量可能非常少，相當於每立方米泥土含有355毫升水。Honniball指出，這比撒哈拉沙漠乾燥100倍，不過她提醒我們，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日的一個時間、一個地點的一次觀察結果得出的。

　　但對於Sunshine而言，這是期待已久的確認。「這非常有意義，」她說：「我很感激他們的工作。」

進入陰影

　　第二項研究主要集中在月球表面的陰暗縫隙。一直以來，科學家懷疑水可能以冰的形式存在於永久陰影區的大型隕石坑內。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。

　　此後，研究人員繪製了這些大片冰區的地圖。但在看到了NASA月球勘測軌道飛行器傳回的月球表面的高解析度圖像後，新的研究團隊意識到，陰影中的冰區可能比想像的更普遍，甚至存在於在很小的地方。他們每次放大圖像，都會看到更多，「全都是陰影，」Hayne說。

　　通過模擬月球上的溫度和陰影，研究團隊發現冰可以在很小的區域內形成，比如螞蟻那麼小。Hayne指出，這些微小的陰影可以和較大的那些一樣寒冷。月球的大氣層非常稀薄，無法平衡表面溫度，因此沸騰的熱點旁，可能就是零下幾百度。

　　新研究表明，寒冷的陰影區比之前估計的大20%。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，Hayne說。但究竟有多少冰，還是一個未知數。

緩慢循環

　　這些研究可以幫助科學家拼湊出月球上的水循環運行過程。月球上的水有多個不同來源。一些可能隨著撞擊表面的隕石一起來到月球，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。來自太陽的熱量或微隕石撞擊可能導致羥基分子碰撞形成水分子，Honniball說。

　　微隕石等撞擊物帶來的熱量也會融化一些巖石表面，使周圍的水蒸發。隨著熔化物冷卻成玻璃，水蒸氣也被封入其中，這可能就是為什麼Honniball和她的團隊會發現水的信號。

　　但水在月球表面的運動方式和具體位置，仍然是未解之謎。Sunshine說，隕石可以釋放表面的一些水，太陽在水的運動過程中也起到了一定的作用，因為在月球日，隨著熱量升高，水和羥基的信號會減弱。「我們真的失去它了嗎？還是說它進入了陰影區？這些小型寒冷陷阱或許可以幫助我們找出真相。」

　　關於月球上的水，科學家還有很多要探索的地方，不過有一些答案即將揭曉。2022年，NASA計劃把揮發物調查極地探測車（VIPER）送到月球南極，去尋找水凍冰塊。同樣將於2022年執行任務的月球緊湊型紅外成像系統（L-CIRIS）會帶來更多線索，Hayne說。

　　至少從20世紀60年代起，科學家就在推測月球上是否存在水，而在未來幾年裡，我們將有一個完整的認知：月球上的水藏在哪裡？之後的探索者是否可以加以利用？

（譯者：Sky4）

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