月球有水吗(新知 - 这一次,科学家真的确定月球有水)

来源:交汇点新闻客户端

近日,月球上第一次被科学家证明存在着“水”!美国国家航空航天局(NASA)发布消息称:在阳光照射下的月球表面,首次探测到水分子。这些水分子位于月球南半球的克拉维斯环形山(Clavius)附近。 水是一种非常珍贵的资源。对想要探索太空的人类来说,它不仅能供宇航员饮用,还能裂解成氢气和氧气,这两种气体对于火箭燃料制备和人类呼吸有着很大意义。此次发现,是月球水研究的重要突破。记者采访中国科学院紫金山天文台专家,为大家讲述人类在月球找水的故事。

月球有水吗(新知 - 这一次,科学家真的确定月球有水)

月球是否有水?人类探索60年

早在上世纪六十年代,就有科学家提出了在月球两极的永久阴影区可能存在水冰的设想。“1994年,美国克莱门汀号飞船(Clementine)携带的双站雷达在月球南极探测到疑似‘冰’的异常回波信号,这也是月球极地可能存在水冰的首次探测证据。但是该发现一直存在争议,因为其他的因素也会导致这种异常雷达回波。1998年,美国月球勘探者号飞船(Lunar Prospector)在月球两极发现存在大量氢元素。同样,这些氢元素并不能说明是水分子,它们可能只是羟基或者其他的含氢物质。”中国科学院紫金山天文台研究员吴昀昭说。 2009年,是月球水探测的突破之年。美国《科学》杂志同期发表三篇文章,利用来自月船一号(Chandrayaan-1)、卡西尼号(Cassini)与深度撞击号(Deep Impact)三个太空飞船的3微米光谱数据证实月球表面存在水(OH)。“3微米红外波段的信号,符合这一条件的,一种可能性是水,但也有另一种可能是羟基。”吴昀昭解释。但科学家曾检测过阿波罗任务带回来的月球样品,发现它们实在是太干燥了。“样品的组成主要是斜长石、橄榄石、辉石、钛铁矿等无水矿物,几乎无含水矿物。” 2018年,科学家第一次发现了月球两极存在水冰的直接证据。这些水冰在位于月球上最冷、最黑暗的地方,比如遍布月球两极附近的那些撞击坑的底部(永久阴影坑),“那些区域阳光永远也照不到,通常在零下230℃左右,水冰得以被长久困住。”吴昀昭说。 而这次NASA确切探测到的月球表面阳光可以照射得到的地方存在水,既不是与其他矿物结合的羟基,也不是月球两极深坑底部的水冰,就是以个体形态存在的水分子,这让科学家感到意外,因为月球白天温度非常高,且是真空存在,任何水分子在如此恶劣环境下都会逃逸掉。

月球一定有水!平流层飞机立下功劳

为了排除信号是羟基产生的可能,更精确地验证红外吸收光谱数据是由水产生的,科学家这次决定检测的是6微米红外波段信号。“这一红外波段信号,只有可能是两个氢原子和一个氧原子产生的,也被称作H-O-H弯曲振动。”吴昀昭介绍说。 但是,想要检测到这种红外波段非常困难,因为目前的月球探测器没有装载能检测6微米红外波段的光谱仪。而地球的大气层中的水蒸气会隔绝这部分波段的光,所以地面观测也无能为力。 因此,这次确认月球有水的并不是登月探测器或者绕月探测器,而是一架在大气层内飞行的飞机,也就是位于13千米高空的平流层红外天文观测台“索菲亚”(SOFIA)。据了解,这架飞机实际上是一架改装过的波音747SP喷气客机,携带了一台口径约2.5米的红外望远镜,它用红外光来观察和研究附近的星系、黑洞、彗星等。“SOFIA飞行的区域,能远离大气层中99.9%的水蒸气,因此6微米红外光能穿越到其所在区域。”吴昀昭说。 而SOFIA装配的FORCAST光谱仪能进行6微米红外光检测,并且能同时观测月球,其观测的区域位于月球克拉维斯环形山附近,之前夏威夷大学科学家曾探测到该地区含有较强的3微米吸收。至此,这架改装的波音客机就满足了所有的观测条件。

月球有水吗(新知 - 这一次,科学家真的确定月球有水)

月球有多少水?比地球沙漠还少

此次探测到的月球这些土壤究竟能存有多少水?“就SOFIA观测数据来看,水的丰度大约是100ppm至400ppm,也就是大约每千克的月球土壤中含有100毫克-400毫克的水。”吴昀昭打了个比方,“地球上最干燥的地区——撒哈拉沙漠都比这湿润100倍。”从地球上寻找38万千米之外的这点点水分子,难度可想而见。“信号弱、数据噪音大,且地球平流层仍然存在2-10ppm含量地球大气水,这意味着传回来的信号有大量数据处理工作。” 研究者认为,这些水分子产生的原因可能是由于月壤里之前存在羟基,他们经过撞击之后形成水分子并被封闭在撞击产生的玻璃里,所以就不会在恶劣环境下释放出去。 其实,绝大多数的科学家对于月球上的水资源是否充足,都是保持着观望和需要进一步研究的态度,毕竟在月球上发现的这一点点水分子只是一个开始,未来还需要解决分布范围、埋藏深度、如何保存等一系列问题,才可以确认月球上的水资源是否可以供人类使用。两极的永久阴影坑也许是水的较大储库,多个国家都将未来月球探测重点瞄准南极,其中包括我国的探月工程四期(嫦娥七号、嫦娥八号)。

这些天体也有水

宇宙中关于水的发现,对人类来说永远是大新闻。 从人类发射探测器获得的结果来看,金星和火星表面上都曾经存在过液态水。一些小天体也不例外—— 2018年,美国“欧西里斯号”(OSIRIS-REx)探测器和日本“哈亚布萨2号”(Hayabusa2)探测器分别到达了近地小行星贝努(Bennu)和龙宫(Ryugu)开展探测。发现贝努和龙宫小行星上都发现了水(曾)存在的痕迹。“作为太阳系形成之初的残留,贝努和龙宫遍布含水材料,让它们成为研究太阳系原始挥发物和有机物成分的极佳样本。”中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室副研究员赵玉晖说。 需要强调的是彗星这种奇异的小天体。数十年前,人们就推测彗星的核部是个脏雪球,由水冰、尘埃、碎石组成。后续的研究越来越接近这个推测。直到2015年,欧洲航天局“罗塞塔号”探测器到达木星族彗星67P/Churyumov–Gerasimenko(代号67P),用零距离接触的方式确认,这颗彗星的核部确实有大量水冰,还有沙丘、碳氢化合物之类。赵玉晖介绍,这次探测为解开太阳系起源之谜,回答地球上的水及构成生命的有机物质是否来自于彗星的问题提供了线索。 上述发现意味着,宇宙里确实存在着相当数量的水,只不过我们还没有发现像地球上这样集中存在的液态水,没有江河湖海、雨雪风霜的存在而已。想要在宇宙里充分利用水资源,我们还需要做很多工作。

交汇点记者 王甜 蔡姝雯 图片来源 视觉中国

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