月球上有水嗎？嫦娥五號(hào)“出野外”再添“實(shí)錘”
發(fā)布人：中國(guó)科學(xué)報(bào)
時(shí)間：2022-01-09
來源：工程師
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月球上有水嗎？來自嫦娥五號(hào)探測(cè)數(shù)據(jù)的最新研究顯示，1噸月壤中大概約有120克“水”。
北京時(shí)間1月8日，由中科院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)稱地質(zhì)地球所）行星科學(xué)團(tuán)隊(duì)與多家科研機(jī)構(gòu)合作完成的研究論文在《科學(xué)-進(jìn)展》上發(fā)表。
這項(xiàng)研究利用嫦娥五號(hào)所攜帶“月球礦物光譜分析儀”探測(cè)的數(shù)據(jù)，首次獲得了月表原位條件下的水含量。
需要解釋的是，科學(xué)家研究的“水”并不是我們喝的“水”。“光譜儀所探測(cè)到的‘水’指礦物里的水分子或者羥基，在一定條件下才能轉(zhuǎn)化為我們喝的水。”該論文一作、中科院地質(zhì)地球所副研究員林紅磊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論
仰望星空，“月球上到底有沒有水”的問題引發(fā)人類極大的好奇心，關(guān)于這個(gè)問題的科學(xué)爭(zhēng)論已持續(xù)半個(gè)多世紀(jì)。
早在1952年，氘的發(fā)現(xiàn)者、美國(guó)化學(xué)家哈羅德·尤里（Harold Urey）大膽猜測(cè)月球上太陽(yáng)永遠(yuǎn)無(wú)法照射到的洼地中可能存在像水一樣的揮發(fā)性物質(zhì)。
1969年至1972年，美國(guó)“阿波羅”計(jì)劃給了宇航員“眼見為實(shí)”的機(jī)會(huì)。遺憾的是，在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量他們帶回來的樣品發(fā)現(xiàn)月壤很干，留在月球表面探測(cè)大氣的儀器也并沒有探測(cè)到水汽。從此，“月球是干的”幾乎成為人們的共識(shí)。
林紅磊介紹，即使是1978年蘇聯(lián)科學(xué)家在“月球24號(hào)”（Luna 24）任務(wù)采集的樣品中測(cè)量到了微量水，仍然沒有引起科學(xué)家的重視，對(duì)月球水的研究停滯了很長(zhǎng)一段時(shí)間。
20世紀(jì)90年代，新探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)才掀起月球水研究的熱潮。
首先是雷達(dá)技術(shù)，1994年美國(guó)科學(xué)家在“克萊門汀”任務(wù)中利用雷達(dá)技術(shù)對(duì)月球兩極進(jìn)行探測(cè)，證實(shí)此前哈羅德·尤里的猜想。
1998年，美國(guó)“月球勘探者號(hào)”（Lunar Prospector）攜帶一臺(tái)中子譜儀探測(cè)到了大量的氫，估計(jì)月球極區(qū)可能存在水，多達(dá)數(shù)億噸。
進(jìn)入2000年，光譜儀探測(cè)成為更加先進(jìn)的方式。
2009年，印度“月船一號(hào)”（Chandrayaan-1）搭載的月球礦物繪圖光譜儀發(fā)現(xiàn)在月球上水隨處可見，水含量隨緯度的增加而增加。
“這一探測(cè)結(jié)果讓很多人第一次意識(shí)到，哦！月球上居然有水?！痹撜撐牡耐ㄓ嵶髡咧?、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員劉洋表示。
此后，前往土星探測(cè)器“卡西尼號(hào)”、前往彗星的探測(cè)器“深度撞擊號(hào)（Deep Impact）”、“月球觀測(cè)和傳感衛(wèi)星(LCROSS)”等都用光譜儀的探測(cè)“實(shí)錘”月球上確實(shí)存在水。
帶著光譜儀“出野外”
前述來自光譜儀的數(shù)據(jù)都是從距離月面遙遠(yuǎn)的月球上空觀測(cè)到的證據(jù)，人類還從來沒有在月球表面原位直接進(jìn)行過水的探測(cè)。
2020年12月1日，嫦娥五號(hào)探測(cè)器在月球風(fēng)暴洋北部地區(qū)著陸，隨后返回1731克月球樣品。
月球礦物光譜分析儀獲取了月表的光譜數(shù)據(jù)。用林紅磊的話說：“這像是在月球上出了一次‘野外’，第一次有機(jī)會(huì)在月表近距離、高分辨地探測(cè)水的信號(hào)?！?/span>
實(shí)際上，光譜儀是靠發(fā)現(xiàn)羥基或者水分子的明顯吸收特征來測(cè)量水?！巴ㄟ^分析3微米附近的光譜特征，就可以識(shí)別月表水并獲得水含量?！辨隙鹞逄?hào)光譜儀的設(shè)計(jì)者、中科院上海技術(shù)物理研究所研究員何志平介紹。
和普遍意義上的液態(tài)水不同，光譜儀在月面探測(cè)到的“水”都藏在巖石中，水分子代表稍微加熱就可以跑出來的“結(jié)合水”，羥基則代表需要較高溫度才能析出的“結(jié)構(gòu)水”。
而目前獲得的月球光譜遙感數(shù)據(jù)波段覆蓋范圍還無(wú)法區(qū)分這兩種存在形式。
為獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，科研人員對(duì)光譜儀進(jìn)行了熱校正。
“月表溫度在當(dāng)?shù)卣缟踔習(xí)^100攝氏度，高溫使月壤產(chǎn)生的熱輻射會(huì)改變光譜形態(tài)，掩蓋水的特征，因此對(duì)光譜進(jìn)行熱校正是研究月表水的關(guān)鍵。”林紅磊說。
嫦娥五號(hào)光譜儀對(duì)采樣區(qū)約2米見方的區(qū)域進(jìn)行了光譜觀測(cè)，觀測(cè)對(duì)象除了月壤之外還有一塊沒有帶回來的巖石。
數(shù)據(jù)分析結(jié)果為月球上真的存在水增加了新的確鑿證據(jù)：嫦娥五號(hào)采樣區(qū)的水含量在120 ppm（百萬(wàn)分之120）以下，而巖石中的水含量約為180 ppm。
“相當(dāng)于1噸月壤中大約有120克水，1噸巖石中大約有180克水?！眲⒀蠼榻B。
嫦娥五號(hào)采樣區(qū)背景圖和水含量（研究團(tuán)隊(duì)供圖）
月球“水”事待續(xù)
科研人員分析，月壤中的水絕大部分源自太陽(yáng)風(fēng)“帶貨”。
“太陽(yáng)風(fēng)里有很多氫，轟到月面與月壤里的氧結(jié)合形成了羥基或者水分子。”論文通訊作者之一、地質(zhì)地球所研究員林楊挺告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
和月壤中120ppm水含量相比，巖石中仍多出來60ppm的水，多出來的水又來自哪里？科研人員推測(cè)巖石是來自于比嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)本地玄武巖更古老的區(qū)域，多出來的水可能代表了月球內(nèi)部水。
不久前，中科院地質(zhì)地球所的科研團(tuán)隊(duì)在《自然》上同時(shí)發(fā)表三篇論文。其中一篇論文報(bào)道了基于納米離子探針分析技術(shù)對(duì)月球內(nèi)部水的探測(cè)結(jié)果，確定嫦娥五號(hào)著陸區(qū)月幔源區(qū)非?！案伞保茰y(cè)原因之一可能是由于風(fēng)暴洋地區(qū)長(zhǎng)期的火山噴發(fā)造成強(qiáng)烈脫氣的結(jié)果。
林楊挺介紹，嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)將在原位和軌道尺度繼續(xù)探測(cè)月表水的含量、分布，這項(xiàng)研究成果也將為嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)的科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支撐。
嫦娥五號(hào)是目前唯一一次既返回樣品又獲取到月表原位光譜的任務(wù)，樣品能夠詳細(xì)的分析水在月壤顆粒中的分布、存在形式，并可利用同位素示蹤來源，而原位光譜可以與軌道遙感建立聯(lián)系，能夠研究月表水的全球性分布和時(shí)間變化特征。
月球水研究遠(yuǎn)未結(jié)束。在科研人員們看來，證實(shí)月球上存在水并估算水量對(duì)“月球村”“月球科研站”的規(guī)劃和建設(shè)至關(guān)重要。
本研究由中科院地質(zhì)地球所行星科學(xué)團(tuán)隊(duì)與上海技術(shù)物理研究所、國(guó)家空間科學(xué)中心、夏威夷大學(xué)、南京大學(xué)合作完成。
相關(guān)論文信息：
https:doi.org/10.1126/sciadv.abl9174
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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