月球上有水嗎？嫦娥五號“出野外”再添“實錘”
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月球上有水嗎？來自嫦娥五號探測數(shù)據(jù)的最新研究顯示，1噸月壤中大概約有120克“水”。
北京時間1月8日，由中科院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）行星科學(xué)團隊與多家科研機構(gòu)合作完成的研究論文在《科學(xué)-進展》上發(fā)表。
這項研究利用嫦娥五號所攜帶“月球礦物光譜分析儀”探測的數(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《中國科學(xué)報》。
半個世紀(jì)的爭論
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)于這個問題的科學(xué)爭論已持續(xù)半個多世紀(jì)。
早在1952年，氘的發(fā)現(xiàn)者、美國化學(xué)家哈羅德·尤里（Harold Urey）大膽猜測月球上太陽永遠無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“阿波羅”計劃給了宇航員“眼見為實”的機會。遺憾的是，在實驗室里測量他們帶回來的樣品發(fā)現(xiàn)月壤很干，留在月球表面探測大氣的儀器也并沒有探測到水汽。從此，“月球是干的”幾乎成為人們的共識。
林紅磊介紹，即使是1978年蘇聯(lián)科學(xué)家在“月球24號”（Luna 24）任務(wù)采集的樣品中測量到了微量水，仍然沒有引起科學(xué)家的重視，對月球水的研究停滯了很長一段時間。
20世紀(jì)90年代，新探測技術(shù)的出現(xiàn)才掀起月球水研究的熱潮。
首先是雷達技術(shù)，1994年美國科學(xué)家在“克萊門汀”任務(wù)中利用雷達技術(shù)對月球兩極進行探測，證實此前哈羅德·尤里的猜想。
1998年，美國“月球勘探者號”（Lunar Prospector）攜帶一臺中子譜儀探測到了大量的氫，估計月球極區(qū)可能存在水，多達數(shù)億噸。
進入2000年，光譜儀探測成為更加先進的方式。
2009年，印度“月船一號”（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。
“這一探測結(jié)果讓很多人第一次意識到，哦！月球上居然有水?！痹撜撐牡耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員劉洋表示。
此后，前往土星探測器“卡西尼號”、前往彗星的探測器“深度撞擊號（Deep Impact）”、“月球觀測和傳感衛(wèi)星(LCROSS)”等都用光譜儀的探測“實錘”月球上確實存在水。
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的月球上空觀測到的證據(jù)，人類還從來沒有在月球表面原位直接進行過水的探測。
2020年12月1日，嫦娥五號探測器在月球風(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’，第一次有機會在月表近距離、高分辨地探測水的信號?！?/span>
實際上，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量水?！巴ㄟ^分析3微米附近的光譜特征，就可以識別月表水并獲得水含量?！辨隙鹞逄柟庾V儀的設(shè)計者、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)，科研人員對光譜儀進行了熱校正。
“月表溫度在當(dāng)?shù)卣缟踔習(xí)^100攝氏度，高溫使月壤產(chǎn)生的熱輻射會改變光譜形態(tài)，掩蓋水的特征，因此對光譜進行熱校正是研究月表水的關(guān)鍵?！绷旨t磊說。
嫦娥五號光譜儀對采樣區(qū)約2米見方的區(qū)域進行了光譜觀測，觀測對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)：嫦娥五號采樣區(qū)的水含量在120 ppm（百萬分之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。
嫦娥五號采樣區(qū)背景圖和水含量（研究團隊供圖）
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風(fēng)“帶貨”。
“太陽風(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《中國科學(xué)報》。
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？科研人員推測巖石是來自于比嫦娥五號著陸點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)地球所的科研團隊在《自然》上同時發(fā)表三篇論文。其中一篇論文報道了基于納米離子探針分析技術(shù)對月球內(nèi)部水的探測結(jié)果，確定嫦娥五號著陸區(qū)月幔源區(qū)非常“干”，推測原因之一可能是由于風(fēng)暴洋地區(qū)長期的火山噴發(fā)造成強烈脫氣的結(jié)果。
林楊挺介紹，嫦娥六號、嫦娥七號將在原位和軌道尺度繼續(xù)探測月表水的含量、分布，這項研究成果也將為嫦娥六號、嫦娥七號的科學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)提供支撐。
嫦娥五號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間變化特征。
月球水研究遠未結(jié)束。在科研人員們看來，證實月球上存在水并估算水量對“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)團隊與上海技術(shù)物理研究所、國家空間科學(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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