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      月球上到处都是 “水”,但不是你想象的那样

      2020/11/4 9:18:05 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

      在人类探索太空的漫长征途中,寻找液态水一直是一项重要议题,因为液态水是判断一个星球是否存在外星生命的重要指标,曾经有不少关于在宇宙中探测到水的踪迹的消息让人们屡屡燃起寻找地外生命的希望。

      最近,美国国家航空航天局(NASA)发布了一条关于月球的 “令人兴奋”的消息。正如许多人猜测的那样,这一发现与月球表面的水有关。这项新研究不仅提供了迄今为止月球上存在水冰的最充分证据,而且表明这种宝贵的资源就分布在月球表面,包括一些暴露在阳光直射下的区域,以及一些处于极端低温条件下的永久阴影区。

      这项发现重新定义了我们对月球的了解,以及这颗地球天然卫星储存水的能力。水是珍贵的自然资源,长期以来,科学家们一直怀疑月球上存在冰冻水,尤其是两极。但新研究提供了迄今为止最明确的证据,在月球受阳光照射的表面探测到了真正的水分子。研究人员还发现了大量被称为 “冷阱”的阴暗角落,其中可能隐藏着冰冻的水。

      科学家在月球受到阳光照射的区域发现了水分子的迹象

      水冰在月球上的存在不仅在纯粹的科学角度上十分重要,而且对未来月球表面的任务也有重大的影响。NASA 即将进行的 “阿耳忒弥斯”任务的一个重要目标,就是收集并带回月球南极地区的水冰。现在看来,这一目标比以往任何时候都更有可能实现。更重要的是,月球存在丰富的水冰意味着我们可以就地获取水源。这对未来的月球探险家或殖民者来说无疑是个极好的消息了。

      精确扫描月球表面的水分子

      由于缺乏大气保护,月球直接受到太阳射线的影响,因此人们一直认为月球表面是干燥的。直到 20 世纪 90 年代,轨道飞行器在月球南极附近的大型陨石坑中探测到明亮的斑点,暗示了水冰存在的可能性。之后在 2009 年,从印度 “月船一号”航天器上搭载的一台 NASA 成像光谱仪传回的数据中,科学家发现了与月球表面反射光线中同样的情况,显示了数十个似乎充满水冰的小陨石坑。2016 年,残留的水冰痕迹被认为是月球轴心倾斜的证据。

      月球上的冷阱示例,这些区域永久地出于阴影中

      然而,尽管有诸如此类的发现,但月球上存在水分子的实际证据仍然只基于 3 微米的光谱特征——科学家用来识别物质的独特 “条形码”。这里涉及一个问题,由于技术上的限制,在这个波长下,科学家无法知道这到底是水分子,还是矿物中的羟基。

      为了克服这一局限性,科学家利用 “平流层红外天文台”(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,简称 SOFIA)对月球表面进行了新的测量。SOFIA 其实是一架改装后可在高空飞行的波音 747 大型喷气式飞机,配备了一台 2.7 米的反射望远镜。利用这台望远镜,研究人员检测到了 6 微米波长下有别于其他羟基化合物的水分子光谱特征。这种特征出现在月球南半球的高纬度地区,显示水含量在 100 至 400ppm(百万分之一)之间。根据 NASA 的新发现,这大致相当于一瓶 355 毫升的水分散在一立方米的月球表面土壤中。

      令人难以置信的是,这些水是在阳光直射的地方发现的。这些水可能储存在月球表面的玻璃状晶粒中,或保存于尘埃颗粒之间,免受太阳光线照射的影响。这项研究是第一次 “充分地”探测到月球表面的水分子,不同于之前在 3 微米波长下观察到的可能会混淆为羟基化合物的特征。

      羟基化合物可以由太阳风中的质子与月球上的氧气分子(如岩石中所含的氧气)碰撞而形成,而水的形成则更加困难。因此,月球上的水可能是通过不同的过程形成的,比如古代月球的火山活动,或是由撞击月球的小行星和彗星等物体带来。在展望未来的工作时,科学家希望能看到更多的 SOFIA 数据,或者其他能够进行 6 微米扫描的仪器所探测的数据,以绘制月球表面水分布的全部范围。

      月球勘测轨道飞行器拍摄的克拉维斯环形山。在这片阳光照射的区域内,SOFIA 天文台探测到了阴影处存在水冰的迹象

      事实上,研究小组的观测范围仅限于巨大的克拉维斯环形山,这是月球上最大的陨石坑之一,也是南半球一个阳光充足的区域,直径达 230.77 公里,深度约 4.9 公里。在将来的观测中,研究人员还需确定其他阳光照射的区域是否也有类似的水含量。最终绘制出一幅月球的水文地图,显示月面所有含水相对丰富的区域。

      这些水分子似乎被困在玻璃中,而不是在月球表面上自由活动。因此它们可能在月球上广泛存在,而不仅限于极端低温的极地地区,游离水分子需要被冷却到 110 开氏度(零下 163 摄氏度)以下才能存留很长时间,而这种情况只会发生在寒冷的环境中。从黑暗的、陡峭的环形坑中采集水冰将是一项危险的任务,因为那里的温度很少在零下 230 摄氏度以上。如果事实证明在非永久阴影区也存在大量的水,那将对采集这种宝贵资源带来极大的便利。

      克拉维斯环形山在月球表面的位置。SOFIA 天文台由一架波音 747 飞机改装而来,其机载望远镜探测到了月球上水分子存在的证据

      科学家们需要确定这些水分子的稳定性,以及随着时间推移,会有多少水可能流失到太空中。这一发现 “提出了水如何产生,以及这些水如何在月球表面持续存在的问题”。科学家考虑的不仅于此,他们还想知道未来的宇航员将如何获取这些水,这些水又是如何影响月球尘埃的化学组成,以及是否会对钻机等设备产生影响。

      永久阴影区中的 “冷阱”

      除了可能被困在玻璃或尘埃中的水分子,这项发现还提出了一种可能性,即月球上的一些隐蔽角落可能散布着冰冻的水。在《自然 - 天文学》杂志上的另一篇论文中,研究小组报告称,月球上隐藏的水冰可能比之前预计的更加普遍。在月球表面永久处于黑暗中的特殊区域,存在着大量大小不一的 “冷阱”,可能为水冰的长期保存提供了条件。

      如果站在月球的一个极点附近,你会发现到处都是这样的阴影,很多这样的细小阴影可能就是水冰。

      以沙克尔顿陨石坑为例,这是一个直径 21 公里、深约 4.2 公里的洼地。陨石坑的某些部分呈一定角度,因此其内部的一些地方总是处于阴影中,温度稳定在零下 184 摄氏度左右。月球勘测轨道飞行器发现了许多可能存在的冷阱,有些只有硬币大小。由于月球独特的自转倾斜角度,使月球极区的许多冷阱吞没在完全黑暗的环境中,时间已有数十亿年。这些冷阱是几十亿年来彗星和小行星撞击月球后留下的 “伤疤”。彗星可能会带来水、二氧化碳和甲烷等物质,其中大多数会在阳光下分解并逃逸到太空中,而如果这些化学物质进入冷阱,则可能避免蒸发,被冻结数十亿年。

      冷阱的温度如此之低,以至于冰会像岩石一样,如果水进入那里,那么在数十亿年的时间里都将无处可去。根据这项研究,月球极地附近分布着数量惊人的小型冷阱,其面积达 40000 平方公里。尽管这只占月球表面的 0.15%,但其广泛存在可能也会降低登月国之间发生冲突的风险。

      大约 60% 的冷阱位于南极点附近。由于极地地区分布着数十亿个潜在的储库,人们的关注点应该从少数几个著名的大型陨石坑转移到研究所揭示的众多潜在的着陆点上,先前的研究估计,月球上的冷阱面积约为 18100 平方公里,而最新研究大大提高了这一数字。

      最新研究结果表明,月球两极所捕获的水可能分布十分广泛,作为未来月球任务的资源之一,这些水可能比以前认为的更容易获得。

      不过,需要指出的重要一点是,该论文只指出了月球表面具有储存水的能力,而实际上并没有提供水冰存在于这些冷阱内的证据。科学家还需要通过探测器或载人任务来完全验证这些水冰的存在。在未来重返月球的计划中,这一新发现将具有重要的意义,不仅对宇航员的生存至关重要,也有助于建立长期的人类营地,并使月球成为前往火星的试验场和跳板。

      美国国家航空航天局希望重返月球,其 “阿耳忒弥斯”计划预计将在 2024 年发射

      如果这项新研究是对的,那么在月球上人类将更容易获得水源,可以作为饮用水和火箭燃料,以及其他需要用到水的 NASA 任务,宇航员可能不需要进入这些深深的黑暗阴影中…… 他们可以四处走走,找那些一米见宽的 “冷阱”,里面很可能就有水冰。

      这些冷阱中存在的水可能来自于彗星、小行星、月球火山活动,或由太阳风引起的化学反应,也可能来自于在玻璃中发现的水分子的释放。这些玻璃是由撞击产生的热量而形成的,“基本上相当于引入了一个新的潜在全球储库”。

      对未来登月的意义

      月球现在比以往人们想象的更适合储存水。这对未来的登月任务有着巨大的影响,因为月球探险者有机会就地寻找水源,可以避免从地球向月球大量运输水的麻烦。当然,目前我们还不清楚从月球表面收集水冰难度如何,但新的研究或许能带来乐观的理由。利用这些水冰,不仅可以生产饮用水,也可以用来制造火箭燃料。

      如果水真的广泛存在,即使是被困在月表的玻璃中,你也可以想象在月球表面进行露天开采,可能是一种很可行的取水方法,但如果你在月球上想要喝一杯马提尼酒或饮用水,或者想给标准的液氢液氧火箭补充燃料,那这些水将是非常有用的。

      2019 年 5 月,在法国南部戛纳拍摄的月球

      克服重力将地球上的水运过来会非常昂贵,因此在月球上取水可以让月球探索变得更便宜,也让太空加油成为可能。当然,研究者还需要确认月球表面上水源延伸的深度。如果只局限于最表层的几微米或几毫米,那这些水的实际意义将微乎其微。唯一能找到答案的方法就是前往月球,开始钻探。这可能并不遥远。

      对于 “阿耳忒弥斯 3”任务而言,这是一个利好消息,因为这意味着他们有更大机会在月球南极地区找到水源。按照计划,该任务将在 2024 年将宇航员(包括一名女宇航员)送上月球。俄罗斯也计划在 2025 年进行一次月球任务,包括一台英国科学家正在研发的机器人,可以钻取月球表面 1 米以下的土壤样品。

      寻找月球之水的行动持续了三十余年,虽然现已证实月球上的确存在大量的水,但未来人类仍需继续追溯月球之水的来源和变迁历程,这将对未来其他星球的观测探测活动具有重大的参考价值。寻水之迹,觅生命之踪,让我们拭目以待。

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      关键词:月球

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