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    水分子現身月球光照區 但離成為“資源”還有很大距離

    來源:科技日報作者:金 鳳責任編輯:安思翰
    2020-11-04 17:37

    2019年4月15日,NASA宣稱其月球大氣與粉塵環境探測器探測到來自流星體撞擊月球時產生的水蒸氣。圖為科學家制作的概念圖。NASA

    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38萬公里的月球,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。此前科學家推測,月球背面常年陰暗的隕石坑里可能藏有冰。如今,兩項最新研究證實,月球光照面也可能存在水。

    10月26日《自然·天文學》發表文章稱,美國國家航空航天局(NASA)依靠平流層紅外天文臺“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,而不僅限于陰暗的月背。換句話說,即使在太陽輻射下,水也能在月球表面存在著。

    月球光照面的水從何而來?此次發現是否會改寫此前月球水的來源理論?月球光照面的水資源是否可以被我們所利用?

    6微米波段出現水分子信號

    確切地說,這并不是月球上首次發現水。

    月球上可能存在水的線索,是通過水組分的信息一點點“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,科學家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微米波段附近,具有顯著的特征,所以科學家一般通過這些特征來尋找月球上的水。

    1998年,NASA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。這可能來自水,但也可能來自任何含有氫的物質。

    對于科學家來說,那些被陽光照射到的,溫度較高的區域是否存在水,更加令人著迷。

    而在月球光照區發現水的線索,則要到2009年,印度“月船1號”、NASA的“深度撞擊”號和“卡西尼”號3個不同的探測器,在陽光照射的月球表面發現了疑似水的微弱痕跡,但他們無法分辨那究竟是水,還是水的組分“羥基”。

    當時,這幾個探測器的光譜儀,工作波段大多在可見光到近紅外線的范圍,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。羥基、水在3微米波段附近有不同的吸收特征,但當時的探測器沒能完整覆蓋這個區域,所以科學家無法判斷探測到的物質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,而宇宙中存在著大量的氫,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?!敝芏Y勇說。

    想要明確分辨羥基和水分子,并非無計可施。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征。

    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,因為地球大氣層中的水蒸氣會隔絕這個波段的光。

    于是,讓飛機帶著光譜儀飛到合適的高度進行探測,就成為不錯的出路。執行這次特殊任務的“索菲亞”,是一架改裝過的波音747SP噴氣客機。它搭載望遠鏡的觀測波段,覆蓋5—8微米,非常適合在6微米波段尋找水分子。

    2018年8月,當時還在美國夏威夷大學攻讀博士學位的凱西·霍尼鮑爾(Casey Honniball)及其合作者用“索菲亞”搭載的紅外望遠鏡,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。結果天遂人愿,他們在輻射光譜里發現了6微米波段的輻射信號,說明那里確實存在水分子。

    比撒哈拉沙漠干燥100倍

    在陽光照射的月表,水分子想保留下來非常不易。此次的探測數據顯示,水被“困在”月球表面的土壤中,濃度為百萬分之100至400,相當于每千克月壤中含有100—400毫升水。凱西指出,這比撒哈拉沙漠還要干燥100倍。不過精確的水含量需要進一步驗證,因為這一估值是基于月球表面的一個時間、一個地點的一次觀察結果得出的。

    讓人感到不解的是,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后,形成羥基,進而與氫離子結合形成水分子?!敝芏Y勇說,含水的彗星等撞擊月球表面產生的能量熔化了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?!敝芏Y勇表示,現在的主流觀點認為月球的形成過程不包含水。在遠離太陽2到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,這也是為什么地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。

    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水分子的證據,從而證實陰影區存在冰。

    美國科羅拉多大學博爾德分校的保羅·海尼等研究者計算了陰影區的面積,它們大約在4萬平方千米左右,其60%位于月球南極。研究人員認為,這些區域具有捕獲水的能力,也就是說,這4萬平方千米的區域如果都存在水分子,那么冰的總量相當于幾十億公斤的水,但實際情況如何,還需要進一步驗證。

    還需弄清分布和儲存結構

    “對于探索月球的人類來說,水是一種非常珍貴的資源。假如宇航員需要在太空駐留半個月甚至更久,月球如果存在可以利用的水資源,就不用耗費巨資從地球上運送水。此外,隨著人類深空探測的腳步加快,未來對于遙遠天體的探測需要建立中轉站。水能夠裂解成氫氣和氧氣,成為火箭燃料的原料,也可滿足宇航員的呼吸需求。如果月球有充足的水,就可以作為人類深空探測的落腳點?!碧峒皯们熬?,周禮勇對未來充滿期待。

    有數據顯示,現在把一升瓶裝水從地球帶向月球的成本為3.5萬美元,如果能開發月球的水資源,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范圍、埋藏深度、是否能長期保存等?!敝芏Y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,是否能達到開采的級別,水在月表儲存的機制是什么,需要用什么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?!敝芏Y勇說。

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