水分子现身月球光照区 但离成为“资源”还有很大距离

金 凤

2020年11月03日08:29  来源:科技日报
 
原标题:水分子现身月球光照区 但离成为“资源”还有很大距离

  地球这颗蓝色星球,依靠大量珍贵的液态水,孕育出蓬勃生命。但与地球相隔仅38万公里的月球,却一片荒芜,寸草不生。

  月球究竟有没有水?科学家从未停下探索的脚步。此前科学家推测,月球背面常年阴暗的陨石坑里可能藏有冰。如今,两项最新研究证实,月球光照面也可能存在水。

  10月26日《自然·天文学》发表文章称,美国国家航空航天局(NASA)依靠平流层红外天文台“索菲亚”,在月球光照区——月球南半球的克拉维斯环形山表面,首次探测到了水分子。

  这一发现表明,水可能分布在整个月球表面,而不仅限于阴暗的月背。换句话说,即使在太阳辐射下,水也能在月球表面存在着。

  月球光照面的水从何而来?此次发现是否会改写此前月球水的来源理论?月球光照面的水资源是否可以被我们所利用?

  6微米波段出现水分子信号

  确切地说,这并不是月球上首次发现水。

  月球上可能存在水的线索,是通过水组分的信息一点点“拼凑”出来的。南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者,科学家一般通过光谱的遥感探测来寻找水分子信号,而水冰的光谱在2微米波段附近,具有显著的特征,所以科学家一般通过这些特征来寻找月球上的水。

  1998年,NASA的“月球探勘者”号探测器搭载了一台中子光谱仪,在月球南北极探测到了氢元素的富集。这可能来自水,但也可能来自任何含有氢的物质。

  对于科学家来说,那些被阳光照射到的,温度较高的区域是否存在水,更加令人着迷。

  而在月球光照区发现水的线索,则要到2009年,印度“月船1号”、NASA的“深度撞击”号和“卡西尼”号3个不同的探测器,在阳光照射的月球表面发现了疑似水的微弱痕迹,但他们无法分辨那究竟是水,还是水的组分“羟基”。

  当时,这几个探测器的光谱仪,工作波段大多在可见光到近红外线的范围,只能通过2.8—3.0微米波段的反射光谱吸收带,来判断探测到的物质。羟基、水在3微米波段附近有不同的吸收特征,但当时的探测器没能完整覆盖这个区域,所以科学家无法判断探测到的物质到底是羟基还是水分子。

  “当时有一种观点认为,月球表面存在羟基,羟基结合上氢就可以形成水,而宇宙中存在着大量的氢,所以有羟基基本上就可能有水,但也不能说有羟基就一定存在水分子。”周礼勇说。

  想要明确分辨羟基和水分子,并非无计可施。水分子在6微米波段有个独特的辐射信号,这是羟基完全没有的特征。

  但是,想要检测到这种红外波段非常困难,目前的月球探测器上都没有装载能检测6微米红外波段的光谱仪。而地面观测器也无能为力,因为地球大气层中的水蒸气会隔绝这个波段的光。

  于是,让飞机带着光谱仪飞到合适的高度进行探测,就成为不错的出路。执行这次特殊任务的“索菲亚”,是一架改装过的波音747SP喷气客机。它搭载望远镜的观测波段,覆盖5—8微米,非常适合在6微米波段寻找水分子。

  2018年8月,当时还在美国夏威夷大学攻读博士学位的凯西·霍尼鲍尔(Casey Honniball)及其合作者用“索菲亚”搭载的红外望远镜,对月球正面光照区——月球南半球高纬度的克拉维斯撞击坑一带进行了观测。结果天遂人愿,他们在辐射光谱里发现了6微米波段的辐射信号,说明那里确实存在水分子。

  比撒哈拉沙漠干燥100倍

  在阳光照射的月表,水分子想保留下来非常不易。此次的探测数据显示,水被“困在”月球表面的土壤中,浓度为百万分之100至400,相当于每千克月壤中含有100—400毫升水。凯西指出,这比撒哈拉沙漠还要干燥100倍。不过精确的水含量需要进一步验证,因为这一估值是基于月球表面的一个时间、一个地点的一次观察结果得出的。

  让人感到不解的是,这些水分子是如何保留下来的?

  “有一种设想认为,可能是携带水的彗星,从距离太阳很远的地方撞击月球,将彗星上的水以某种形式束缚在了月球上;但也有可能是太阳风中的氢和月球表面的氧反应后,形成羟基,进而与氢离子结合形成水分子。”周礼勇说,含水的彗星等撞击月球表面产生的能量熔化了月球表面的岩石和土壤,当熔化物迅速冷却成玻璃体时,彗星带来的水就会被封入其中,可以在月球表面严苛的环境中长期存在。

  “还有一种可能,就是水是月球原生的。”周礼勇表示,现在的主流观点认为月球的形成过程不包含水。在远离太阳2到3个天文单位之外,温度低到雪线以下,水才会以固态形式参与行星的形成过程,进而保留在行星之中。地球、月球距离太阳只有一个天文单位,按理说不会有水,这也是为什么地球上水的来源迄今仍然是科学家研究的重要问题。月球本身是否含有“与生俱来”的水,这个问题与月球的起源及经历的地质演化密切相关。

  2009年10月,NASA的月球陨石坑观测和传感卫星(LCROSS)探测器部分撞击月球南极附近的阴影区,在撞击羽流中探测到了水分子的证据,从而证实阴影区存在冰。

  美国科罗拉多大学博尔德分校的保罗·海尼等研究者计算了阴影区的面积,它们大约在4万平方千米左右,其60%位于月球南极。研究人员认为,这些区域具有捕获水的能力,也就是说,这4万平方千米的区域如果都存在水分子,那么冰的总量相当于几十亿公斤的水,但实际情况如何,还需要进一步验证。

  还需弄清分布和储存结构

  “对于探索月球的人类来说,水是一种非常珍贵的资源。假如宇航员需要在太空驻留半个月甚至更久,月球如果存在可以利用的水资源,就不用耗费巨资从地球上运送水。此外,随着人类深空探测的脚步加快,未来对于遥远天体的探测需要建立中转站。水能够裂解成氢气和氧气,成为火箭燃料的原料,也可满足宇航员的呼吸需求。如果月球有充足的水,就可以作为人类深空探测的落脚点。”提及应用前景,周礼勇对未来充满期待。

  有数据显示,现在把一升瓶装水从地球带向月球的成本为3.5万美元,如果能开发月球的水资源,将极大降低探月成本。

  不过,没有大气层保护,月表太阳照射面的水源是否可以利用?“这还需要弄清楚水在月表的分布范围、埋藏深度、是否能长期保存等。”周礼勇认为,月表水是否能利用,该怎样利用,需要做更多检测,例如水含量是否足够高,在哪些地区富集,是否能达到开采的级别,水在月表储存的机制是什么,需要用什么样的技术才能把水有效地收集起来。

  “这些发现确实令人兴奋,很有研究和应用的前景,但成本目前还无法预料。”周礼勇说。

  本报记者 金 凤

(责编:赵竹青、吕骞)