SOFIA在月球表面发现了水

编译 乔琦

这张图片标出了月球的克拉维斯环形山，且用特别图示表明了该地的月球土壤中存在水。图片中的另一个元素是SOFIA提供的照片，正是这座天文台在月球表面被太阳照射的区域发现了水

美国宇航局（NASA）的平流层红外天文台（SOFIA）首次证实月球表面被太阳照射的区域存在水。这项发现表明，水或许在整个月球表面都有分布，不仅限于寒冷的阴暗（未被太阳照射）区域。

SOFIA探测到水分子的地点是克拉维斯环形山，这是地球上能看到的月球最大环形山之一，位于月球南半球。此前对月球表面的探测发现了某些形式的氢，但无法确定这些氢是水，还是水的化学近亲羟基。SOFIA从这个区域收集到的数据显示，月球表面每立方米的土壤中含有0.01%～0.0412%的水，大致相当于12盎司（1盎司约合30立方厘米）。相关结果已发表在最近的《自然-天文学》上。

“我们之前就发现了一些迹象，表明月亮上那些被太阳照射的区域可能存在我们熟悉的水，”在美国宇航局华盛顿总部担任科学任务理事会天体物理学分部主任的保罗·赫兹（Paul Hertz）如是说，“我们现在知道事实确实如此。这项发现挑战了我们对月球表面环境的认识，也提出了有关深空探索可用资源的有趣问题。”

作个对比，撒哈拉沙漠的含水量是SOFIA在月球土壤中探测到的100倍。虽然月球土壤含水量并不高，但这项发现还是提出了一些新问题：这些水是从哪来的？又是怎样在环境严酷、没有空气的月球表面保存下来的？

水是深空中的珍贵资源，也是我们所知生命的关键组成部分。SOFIA发现的月球水是否容易获取以充当战略资源，仍旧是个问题。根据NASA阿尔忒弥斯计划，该机构非常急切地想要掌握与月球水有关的一切信息，然后计划在2024年送第一位女性宇航员和另一位男性宇航员前往月球表面，并且计划在2030年前在月球上建立一个可持续使用的人类定居点。

SOFIA的成果建立在此前多年人们对月球水的研究与探测之上。1969年，阿波罗号上的宇航员第一次从月球归来时，我们认为月球上完全没有水。过去20年轨道探测及撞击探测（比如NASA的月球环形山观测及传感卫星）则证实了月球两极附近存在始终得不到阳光照射的撞击坑。与此同时，数项探测器任务，其中包括卡西尼号任务，“深度撞击”彗星任务与印度空间研究组织的月船1号任务，以及NASA地面红外望远镜大范围地巡视了整个月球表面，并且在日照较强的地区发现了水合作用的证据。然而，所有这些任务都没能肯定地区分氢存在的形式——究竟是水，还是羟基。

“在SOFIA得到观测结果之前，我们就已经知道月球表面存在某种形式的水合作用。”凯西·霍尼波尔（Casey Honniball）说，“但我们不知道其中多少是真正的水分子（甚至不知道其中有没有真正的水分子），就是我们每天喝的那种，或者月球上的这些成分更像是排水沟清洁剂。”霍尼波尔是发表SOFIA这项成果论文的第一作者，这也是她在夏威夷大学马诺阿分校（位于檀香山）的毕业论文。

SOFIA为我们探测月球提供了一种全新的手段。这座天文台其实是一架改装过的波音747SP喷气式客机，搭载着直径为106英寸（约2.7米）的NASA红外望远镜。飞机飞到45 000英尺（约13.7千米）的高空后，就摆脱了地球大气层中99%的水汽，从而能够更清晰地从红外波段观测宇宙。凭借搭载的暗淡物体红外照相机，SOFIA能够捕捉到水分子特有的波长（6.1微米），并且在被太阳照射的克拉维斯环形山内发现相对较低的水分子浓度。

“月球没有浓厚的大气层，所以被太阳照射区域的水应该只能散逸到宇宙空间中。”霍尼波尔如是说。她现在是NASA戈达德太空飞行中心（位于马里兰州格林贝尔特）的博士后研究员，“然而，我们还是通过某种方式在这类区域探测到了水。一定有什么东西在生产这种物质，也一定有什么东西把水锁在了那里。”

有数种力量可能在月球水的产生和输送过程中发挥了作用。一种可能是，携带少量水的微小陨石如雨点般撞击月球表面时，有可能将水留在了那里。另一种可能则是一个两步走的过程：第一步，太阳风将氢送到月球表面，并且使其与月球土壤中的含氧矿物发生化学反应，产生羟基；第二步，微小陨石雨轰击月球表面产生的辐射可以将羟基转变成水。

科学家通过SOFIA首次在月球表面被太阳照射的区域发现水。SOFIA其实是一架改装过的波音747SP飞机，搭载着NASA的红外望远镜。科学家借助SOFIA可以用超越地基望远镜局限的方式研究太阳系及更远的深空。SOFIA在克拉维斯环形山（地球上能看到的最大环形山之一，位于月球南半球）内探测到了水分子（H2O）。这项发现表明，水或许在整个月球表面都有分布，不仅限于寒冷的阴暗（未被太阳照射）区域

那么，月球上的水又是怎样保存下来的？或者说，月球上何种环境条件能使水积聚起来？这个话题同样也引出了一些颇有意思的问题。月球土壤中的微小珠状结构可以锁住水，这类结构诞生于微小陨石撞击月球表面时产生的高热。另一种可能则是，水藏匿在月球土壤颗粒之间，从而躲过了太阳的照射。这种方式储存的水要比锁在珠状结构中的水更容易利用。

SOFIA的主要任务其实是观测遥远的暗弱天体，比如黑洞、星团和星系，因此，这座天文台关注地球最近、最明亮的邻居月球，其实是一种“不务正业”。SOFIA的操作员通常用导航照相机追踪恒星，也就是将望远镜牢牢锁定在观测目标上。然而，月球离地球实在太近，也实在太过明亮，因而充满了导航照相机的整个视场。所以，导航照相机的视场内看不到任何恒星，操作人员也就没法确定望远镜是否可以稳定追踪月球。为此，望远镜操作员在2018年4月开展了一次测试性观测。

“实际上，那是SOFIA第一次观测月球，并且，我们甚至完全无法肯定是否能获取可靠数据，但有关月球水的问题让我们不得不试一试。”NASA埃姆斯研究中心（位于加利福尼亚州硅谷）SOFIA项目科学家纳西姆·兰格瓦拉（Naseem Rangwala）说，“这回测试性观测竟然能作出如此重要的发现，实在是太不可思议了。既然我们知道SOFIA能做到这点，当然要筹划更多次飞行，做更多观测。”

SOFIA下一次升空，将在不同月相期间搜寻月球表面其他地点的水，以期获得更多有关月球水如何产生、存储以及在月球表面流动的资料。这些数据会为未来的月球任务——比如“挥发物研究极地探索漫游车”打下基础，并为人类未来太空探索任务绘制第一幅月球水资源地图。

“水是一种很有价值的资源，无论是对科学研究，还是对我们人类探索者来说，都是如此，”NASA人类探索和任务执行理事会首席探索科学家雅可布·布莱彻（Jacob Bleacher）说，“如果我们能把月球上的资源利用起来，就能在发射时少带点水，多带点有助于取得新科学发现的设备。”

资料来源NASA