月球上有水嗎?來自嫦娥五號(hào)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”。

1月8日，由中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)與上海技術(shù)物理研究所、國家空間科學(xué)中心，以及南京大學(xué)、美國夏威夷大學(xué)等多家科研機(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)攜帶“月球礦物光譜分析儀”所探測的數(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”并不是人們喝的“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。”論文第一作者、地質(zhì)地球所副研究員林紅磊告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

半個(gè)世紀(jì)的爭論

一直以來，“月球上到底有沒有水”都是人們仰望星空時(shí)想探究的問題之一，而關(guān)于這個(gè)問題的科學(xué)爭論已持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)。早在1952年，氘的發(fā)現(xiàn)者、美國化學(xué)家哈羅德·尤里大膽猜測，月球上太陽永遠(yuǎn)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(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(shí)。

林紅磊介紹，即使是1978年蘇聯(lián)科學(xué)家在“月球24號(hào)”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(duì)月球水的研究停滯了很長一段時(shí)間。

20世紀(jì)90年代，新探測技術(shù)的出現(xiàn)才掀起月球水研究熱潮。首先是雷達(dá)技術(shù)，1994年美國科學(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，證實(shí)此前哈羅德·尤里的猜想。1998年，美國“月球勘探者號(hào)”攜帶一臺(tái)中子譜儀探測到了大量氫，估計(jì)月球極區(qū)可能存在水，多達(dá)數(shù)億噸。

進(jìn)入21世紀(jì)，光譜儀探測成為更加先進(jìn)的方式。2009年，印度“月船一號(hào)”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(shí)到‘哦!月球上居然有水’。”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員劉洋表示。

此后，前往土星的探測器“卡西尼號(hào)”、前往彗星的探測器“深度撞擊號(hào)”、“月球觀測和傳感衛(wèi)星”等都用光譜儀的探測確認(rèn)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。

2020年12月1日，嫦娥五號(hào)探測器在月球風(fēng)暴洋北部地區(qū)著陸，隨后帶回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、高分辨地探測水的信號(hào)。”

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量水。“通過分析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。”嫦娥五號(hào)光譜儀設(shè)計(jì)者、中國科學(xué)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(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，觀測對(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120ppm(百萬分之120)以下，而巖石中的水含量約為180ppm。“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。”劉洋介紹。

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(bào)》。

和月壤中120ppm水含量相比，巖石中多出來60ppm的水，多出來的水又來自哪里?科研人員推測巖石來自比嫦娥五號(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，地質(zhì)地球所的科研團(tuán)隊(duì)在《自然》上同時(shí)發(fā)表3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)部水的探測結(jié)果，確定嫦娥五號(hào)著陸區(qū)月幔源區(qū)非常“干”，推測原因之一是風(fēng)暴洋地區(qū)長期的火山噴發(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)。其樣品能夠詳細(xì)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，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。(記者 甘曉)

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