SOFIA在月球表面發(fā)現(xiàn)了水

編譯 喬琦

這張圖片標出了月球的克拉維斯環(huán)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(qū)域發(fā)現(xiàn)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(qū)域存在水。這項發(fā)現(xiàn)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(qū)域。

SOFIA探測到水分子的地點是克拉維斯環(huán)形山，這是地球上能看到的月球最大環(huán)形山之一，位于月球南半球。此前對月球表面的探測發(fā)現(xiàn)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(qū)域收集到的數(shù)據(jù)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(guān)結(jié)果已發(fā)表在最近的《自然-天文學》上。

“我們之前就發(fā)現(xiàn)了一些跡象，表明月亮上那些被太陽照射的區(qū)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(wù)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(xiàn)在知道事實確實如此。這項發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們對月球表面環(huán)境的認識，也提出了有關(guān)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(fā)現(xiàn)還是提出了一些新問題：這些水是從哪來的？又是怎樣在環(huán)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(guān)鍵組成部分。SOFIA發(fā)現(xiàn)的月球水是否容易獲取以充當戰(zhàn)略資源，仍舊是個問題。根據(jù)NASA阿爾忒彌斯計劃，該機構(gòu)非常急切地想要掌握與月球水有關(guān)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(xù)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(huán)形山觀測及傳感衛(wèi)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(shù)項探測器任務(wù)，其中包括卡西尼號任務(wù)，“深度撞擊”彗星任務(wù)與印度空間研究組織的月船1號任務(wù)，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(qū)發(fā)現(xiàn)了水合作用的證據(jù)。然而，所有這些任務(wù)都沒能肯定地區(qū)分氫存在的形式——究竟是水，還是羥基。

“在SOFIA得到觀測結(jié)果之前，我們就已經(jīng)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(fā)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(yè)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(huán)形山內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(qū)域的水應(yīng)該只能散逸到宇宙空間中。”霍尼波爾如是說。她現(xiàn)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(qū)域探測到了水。一定有什么東西在生產(chǎn)這種物質(zhì)，也一定有什么東西把水鎖在了那里。”

有數(shù)種力量可能在月球水的產(chǎn)生和輸送過程中發(fā)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(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生羥基；第二步，微小隕石雨轟擊月球表面產(chǎn)生的輻射可以將羥基轉(zhuǎn)變成水。

科學家通過SOFIA首次在月球表面被太陽照射的區(qū)域發(fā)現(xiàn)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(huán)形山（地球上能看到的最大環(huán)形山之一，位于月球南半球）內(nèi)探測到了水分子（H2O）。這項發(fā)現(xiàn)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(qū)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(huán)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(jié)構(gòu)可以鎖住水，這類結(jié)構(gòu)誕生于微小隕石撞擊月球表面時產(chǎn)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(jié)構(gòu)中的水更容易利用。

SOFIA的主要任務(wù)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(guān)注地球最近、最明亮的鄰居月球，其實是一種“不務(wù)正業(yè)”。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?qū)嵲谔矊嵲谔^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(nèi)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(wěn)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(shù)據(jù)，但有關(guān)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(fā)現(xiàn)，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(guān)月球水如何產(chǎn)生、存儲以及在月球表面流動的資料。這些數(shù)據(jù)會為未來的月球任務(wù)——比如“揮發(fā)物研究極地探索漫游車”打下基礎(chǔ)，并為人類未來太空探索任務(wù)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?nèi)祟愄剿髡邅碚f，都是如此，”NASA人類探索和任務(wù)執(zhí)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(fā)射時少帶點水，多帶點有助于取得新科學發(fā)現(xiàn)的設(shè)備。”

資料來源NASA