月球上有水嗎？嫦娥五號“出野外”再添“實(shí)錘”
月球上有水嗎？來(lái)自嫦娥五號探測數據的最新研究顯示，1噸月壤中大概約有120克“水”。
北京時(shí)間1月8日，由中科院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)地質(zhì)地球所）行星科學(xué)團隊與多家科研機構合作完成的研究論文在《科學(xué)-進(jìn)展》上發(fā)表。
這項研究利用嫦娥五號所攜帶“月球礦物光譜分析儀”探測的數據，首次獲得了月表原位條件下的水含量。
需要解釋的是，科學(xué)家研究的“水”并不是我們喝的“水”。“光譜儀所探測到的‘水’指礦物里的水分子或者羥基，在一定條件下才能轉化為我們喝的水。”該論文一作、中科院地質(zhì)地球所副研究員林紅磊告訴《中國科學(xué)報》。
半個(gè)世紀的爭論
仰望星空，“月球上到底有沒(méi)有水”的問(wèn)題引發(fā)人類(lèi)極大的好奇心，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的科學(xué)爭論已持續半個(gè)多世紀。
早在1952年，氘的發(fā)現者、美國化學(xué)家哈羅德·尤里（Harold Urey）大膽猜測月球上太陽(yáng)永遠無(wú)法照射到的洼地中可能存在像水一樣的揮發(fā)性物質(zhì)。
1969年至1972年，美國“阿波羅”計劃給了宇航員“眼見(jiàn)為實(shí)”的機會(huì )。遺憾的是，在實(shí)驗室里測量他們帶回來(lái)的樣品發(fā)現月壤很干，留在月球表面探測大氣的儀器也并沒(méi)有探測到水汽。從此，“月球是干的”幾乎成為人們的共識。
林紅磊介紹，即使是1978年蘇聯(lián)科學(xué)家在“月球24號”（Luna 24）任務(wù)采集的樣品中測量到了微量水，仍然沒(méi)有引起科學(xué)家的重視，對月球水的研究停滯了很長(cháng)一段時(shí)間。
20世紀90年代，新探測技術(shù)的出現才掀起月球水研究的熱潮。
首先是雷達技術(shù)，1994年美國科學(xué)家在“克萊門(mén)汀”任務(wù)中利用雷達技術(shù)對月球兩極進(jìn)行探測，證實(shí)此前哈羅德·尤里的猜想。
1998年，美國“月球勘探者號”（Lunar Prospector）攜帶一臺中子譜儀探測到了大量的氫，估計月球極區可能存在水，多達數億噸。
進(jìn)入2000年，光譜儀探測成為更加先進(jìn)的方式。
2009年，印度“月船一號”（Chandrayaan-1）搭載的月球礦物繪圖光譜儀發(fā)現在月球上水隨處可見(jiàn)，水含量隨緯度的增加而增加。
“這一探測結果讓很多人第一次意識到，哦！月球上居然有水?！痹撜撐牡耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員劉洋表示。
此后，前往土星探測器“卡西尼號”、前往彗星的探測器“深度撞擊號（Deep Impact）”、“月球觀(guān)測和傳感衛星(LCROSS)”等都用光譜儀的探測“實(shí)錘”月球上確實(shí)存在水。
帶著(zhù)光譜儀“出野外”
前述來(lái)自光譜儀的數據都是從距離月面遙遠的月球上空觀(guān)測到的證據，人類(lèi)還從來(lái)沒(méi)有在月球表面原位直接進(jìn)行過(guò)水的探測。
2020年12月1日，嫦娥五號探測器在月球風(fēng)暴洋北部地區著(zhù)陸，隨后返回1731克月球樣品。
月球礦物光譜分析儀獲取了月表的光譜數據。用林紅磊的話(huà)說(shuō)：“這像是在月球上出了一次‘野外’，第一次有機會(huì )在月表近距離、高分辨地探測水的信號?！?/span>
實(shí)際上，光譜儀是靠發(fā)現羥基或者水分子的明顯吸收特征來(lái)測量水?！巴ㄟ^(guò)分析3微米附近的光譜特征，就可以識別月表水并獲得水含量?！辨隙鹞逄柟庾V儀的設計者、中科院上海技術(shù)物理研究所研究員何志平介紹。
和普遍意義上的液態(tài)水不同，光譜儀在月面探測到的“水”都藏在巖石中，水分子代表稍微加熱就可以跑出來(lái)的“結合水”，羥基則代表需要較高溫度才能析出的“結構水”。
而目前獲得的月球光譜遙感數據波段覆蓋范圍還無(wú)法區分這兩種存在形式。
為獲得更準確的數據，科研人員對光譜儀進(jìn)行了熱校正。
“月表溫度在當地正午甚至會(huì )超過(guò)100攝氏度，高溫使月壤產(chǎn)生的熱輻射會(huì )改變光譜形態(tài)，掩蓋水的特征，因此對光譜進(jìn)行熱校正是研究月表水的關(guān)鍵?！绷旨t磊說(shuō)。
嫦娥五號光譜儀對采樣區約2米見(jiàn)方的區域進(jìn)行了光譜觀(guān)測，觀(guān)測對象除了月壤之外還有一塊沒(méi)有帶回來(lái)的巖石。
數據分析結果為月球上真的存在水增加了新的確鑿證據：嫦娥五號采樣區的水含量在120 ppm（百萬(wàn)分之120）以下，而巖石中的水含量約為180 ppm。
“相當于1噸月壤中大約有120克水，1噸巖石中大約有180克水?！眲⒀蠼榻B。
嫦娥五號采樣區背景圖和水含量（研究團隊供圖）
月球“水”事待續
科研人員分析，月壤中的水絕大部分源自太陽(yáng)風(fēng)“帶貨”。
“太陽(yáng)風(fēng)里有很多氫，轟到月面與月壤里的氧結合形成了羥基或者水分子。”論文通訊作者之一、地質(zhì)地球所研究員林楊挺告訴《中國科學(xué)報》。
和月壤中120ppm水含量相比，巖石中仍多出來(lái)60ppm的水，多出來(lái)的水又來(lái)自哪里？科研人員推測巖石是來(lái)自于比嫦娥五號著(zhù)陸點(diǎn)本地玄武巖更古老的區域，多出來(lái)的水可能代表了月球內部水。
不久前，中科院地質(zhì)地球所的科研團隊在《自然》上同時(shí)發(fā)表三篇論文。其中一篇論文報道了基于納米離子探針?lè )治黾夹g(shù)對月球內部水的探測結果，確定嫦娥五號著(zhù)陸區月幔源區非?！案伞?，推測原因之一可能是由于風(fēng)暴洋地區長(cháng)期的火山噴發(fā)造成強烈脫氣的結果。
林楊挺介紹，嫦娥六號、嫦娥七號將在原位和軌道尺度繼續探測月表水的含量、分布，這項研究成果也將為嫦娥六號、嫦娥七號的科學(xué)目標實(shí)現提供支撐。
嫦娥五號是目前唯一一次既返回樣品又獲取到月表原位光譜的任務(wù)，樣品能夠詳細的分析水在月壤顆粒中的分布、存在形式，并可利用同位素示蹤來(lái)源，而原位光譜可以與軌道遙感建立聯(lián)系，能夠研究月表水的全球性分布和時(shí)間變化特征。
月球水研究遠未結束。在科研人員們看來(lái)，證實(shí)月球上存在水并估算水量對“月球村”“月球科研站”的規劃和建設至關(guān)重要。
本研究由中科院地質(zhì)地球所行星科學(xué)團隊與上海技術(shù)物理研究所、國家空間科學(xué)中心、夏威夷大學(xué)、南京大學(xué)合作完成。
相關(guān)論文信息：
https:doi.org/10.1126/sciadv.abl9174
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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