SOFIA在月球表面發現了水

編譯 喬琦

這張圖片標出了月球的克拉維斯環形山，且用特別圖示表明了該地的月球土壤中存在水。圖片中的另一個元素是SOFIA提供的照片，正是這座天文臺在月球表面被太陽照射的區域發現了水

美國宇航局（NASA）的平流層紅外天文臺（SOFIA）首次證實月球表面被太陽照射的區域存在水。這項發現表明，水或許在整個月球表面都有分布，不僅限于寒冷的陰暗（未被太陽照射）區域。

SOFIA探測到水分子的地點是克拉維斯環形山，這是地球上能看到的月球最大環形山之一，位于月球南半球。此前對月球表面的探測發現了某些形式的氫，但無法確定這些氫是水，還是水的化學近親羥基。SOFIA從這個區域收集到的數據顯示，月球表面每立方米的土壤中含有0.01%～0.0412%的水，大致相當于12盎司（1盎司約合30立方厘米）。相關結果已發表在最近的《自然-天文學》上。

“我們之前就發現了一些跡象，表明月亮上那些被太陽照射的區域可能存在我們熟悉的水，”在美國宇航局華盛頓總部擔任科學任務理事會天體物理學分部主任的保羅·赫茲（Paul Hertz）如是說，“我們現在知道事實確實如此。這項發現挑戰了我們對月球表面環境的認識，也提出了有關深空探索可用資源的有趣問題。”

作個對比，撒哈拉沙漠的含水量是SOFIA在月球土壤中探測到的100倍。雖然月球土壤含水量并不高，但這項發現還是提出了一些新問題：這些水是從哪來的？又是怎樣在環境嚴酷、沒有空氣的月球表面保存下來的？

水是深空中的珍貴資源，也是我們所知生命的關鍵組成部分。SOFIA發現的月球水是否容易獲取以充當戰略資源，仍舊是個問題。根據NASA阿爾忒彌斯計劃，該機構非常急切地想要掌握與月球水有關的一切信息，然后計劃在2024年送第一位女性宇航員和另一位男性宇航員前往月球表面，并且計劃在2030年前在月球上建立一個可持續使用的人類定居點。

SOFIA的成果建立在此前多年人們對月球水的研究與探測之上。1969年，阿波羅號上的宇航員第一次從月球歸來時，我們認為月球上完全沒有水。過去20年軌道探測及撞擊探測（比如NASA的月球環形山觀測及傳感衛星）則證實了月球兩極附近存在始終得不到陽光照射的撞擊坑。與此同時，數項探測器任務，其中包括卡西尼號任務，“深度撞擊”彗星任務與印度空間研究組織的月船1號任務，以及NASA地面紅外望遠鏡大范圍地巡視了整個月球表面，并且在日照較強的地區發現了水合作用的證據。然而，所有這些任務都沒能肯定地區分氫存在的形式——究竟是水，還是羥基。

“在SOFIA得到觀測結果之前，我們就已經知道月球表面存在某種形式的水合作用。”凱西·霍尼波爾（Casey Honniball）說，“但我們不知道其中多少是真正的水分子（甚至不知道其中有沒有真正的水分子），就是我們每天喝的那種，或者月球上的這些成分更像是排水溝清潔劑。”霍尼波爾是發表SOFIA這項成果論文的第一作者，這也是她在夏威夷大學馬諾阿分校（位于檀香山）的畢業論文。

SOFIA為我們探測月球提供了一種全新的手段。這座天文臺其實是一架改裝過的波音747SP噴氣式客機，搭載著直徑為106英寸（約2.7米）的NASA紅外望遠鏡。飛機飛到45 000英尺（約13.7千米）的高空后，就擺脫了地球大氣層中99%的水汽，從而能夠更清晰地從紅外波段觀測宇宙。憑借搭載的暗淡物體紅外照相機，SOFIA能夠捕捉到水分子特有的波長（6.1微米），并且在被太陽照射的克拉維斯環形山內發現相對較低的水分子濃度。

“月球沒有濃厚的大氣層，所以被太陽照射區域的水應該只能散逸到宇宙空間中。”霍尼波爾如是說。她現在是NASA戈達德太空飛行中心（位于馬里蘭州格林貝爾特）的博士后研究員，“然而，我們還是通過某種方式在這類區域探測到了水。一定有什么東西在生產這種物質，也一定有什么東西把水鎖在了那里。”

有數種力量可能在月球水的產生和輸送過程中發揮了作用。一種可能是，攜帶少量水的微小隕石如雨點般撞擊月球表面時，有可能將水留在了那里。另一種可能則是一個兩步走的過程：第一步，太陽風將氫送到月球表面，并且使其與月球土壤中的含氧礦物發生化學反應，產生羥基；第二步，微小隕石雨轟擊月球表面產生的輻射可以將羥基轉變成水。

科學家通過SOFIA首次在月球表面被太陽照射的區域發現水。SOFIA其實是一架改裝過的波音747SP飛機，搭載著NASA的紅外望遠鏡。科學家借助SOFIA可以用超越地基望遠鏡局限的方式研究太陽系及更遠的深空。SOFIA在克拉維斯環形山（地球上能看到的最大環形山之一，位于月球南半球）內探測到了水分子（H2O）。這項發現表明，水或許在整個月球表面都有分布，不僅限于寒冷的陰暗（未被太陽照射）區域

那么，月球上的水又是怎樣保存下來的？或者說，月球上何種環境條件能使水積聚起來？這個話題同樣也引出了一些頗有意思的問題。月球土壤中的微小珠狀結構可以鎖住水，這類結構誕生于微小隕石撞擊月球表面時產生的高熱。另一種可能則是，水藏匿在月球土壤顆粒之間，從而躲過了太陽的照射。這種方式儲存的水要比鎖在珠狀結構中的水更容易利用。

SOFIA的主要任務其實是觀測遙遠的暗弱天體，比如黑洞、星團和星系，因此，這座天文臺關注地球最近、最明亮的鄰居月球，其實是一種“不務正業”。SOFIA的操作員通常用導航照相機追蹤恒星，也就是將望遠鏡牢牢鎖定在觀測目標上。然而，月球離地球實在太近，也實在太過明亮，因而充滿了導航照相機的整個視場。所以，導航照相機的視場內看不到任何恒星，操作人員也就沒法確定望遠鏡是否可以穩定追蹤月球。為此，望遠鏡操作員在2018年4月開展了一次測試性觀測。

“實際上，那是SOFIA第一次觀測月球，并且，我們甚至完全無法肯定是否能獲取可靠數據，但有關月球水的問題讓我們不得不試一試。”NASA埃姆斯研究中心（位于加利福尼亞州硅谷）SOFIA項目科學家納西姆·蘭格瓦拉（Naseem Rangwala）說，“這回測試性觀測竟然能作出如此重要的發現，實在是太不可思議了。既然我們知道SOFIA能做到這點，當然要籌劃更多次飛行，做更多觀測。”

SOFIA下一次升空，將在不同月相期間搜尋月球表面其他地點的水，以期獲得更多有關月球水如何產生、存儲以及在月球表面流動的資料。這些數據會為未來的月球任務——比如“揮發物研究極地探索漫游車”打下基礎，并為人類未來太空探索任務繪制第一幅月球水資源地圖。

“水是一種很有價值的資源，無論是對科學研究，還是對我們人類探索者來說，都是如此，”NASA人類探索和任務執行理事會首席探索科學家雅可布·布萊徹（Jacob Bleacher）說，“如果我們能把月球上的資源利用起來，就能在發射時少帶點水，多帶點有助于取得新科學發現的設備。”

資料來源NASA