□ 尹懷勤

10月14日出版的新一期英國《自然-地學(xué)》雜志刊登報告說，美國研究人員對阿波羅系列探月飛船帶回的月球土壤樣本進(jìn)行分析后認(rèn)為，月球上存在的水可能來源于太陽風(fēng)，這說明其他一些星球也可能同樣因此而存在水。此一說法再次引起了人們對月球水及其來源的關(guān)注。

航天探測發(fā)現(xiàn)月表有水

早在2009年9月24日，美國航宇局就曾宣布，科學(xué)家經(jīng)過對三個獨(dú)立航天探測儀器傳回地面的數(shù)據(jù)的研究分析,發(fā)現(xiàn)月球表面存在水和羥基1，相關(guān)的三項報告刊登在當(dāng)日出版的《科學(xué)》周刊雜志上。這是人類自1959年1月2日開始發(fā)射航天器對月球進(jìn)行探測以來，首次確認(rèn)月面有水，乃系在探月工程征途上取得的重大成果之一。

在月球上找水，一直是航天探月活動較為關(guān)注的一個重點(diǎn)問題。以前主要在月球隕石坑內(nèi)尋找，未想到首次發(fā)現(xiàn)月球有水，并不是隕石坑底部的地下水，也不是被土壤吸收的水，而是普遍存在的附著在月球土壤表層的水。這一發(fā)現(xiàn)結(jié)論最先是根據(jù)印度首顆探月衛(wèi)星“月船1號”攜帶的美國科學(xué)儀器提供的數(shù)據(jù)資料而得出的。印度于2008年10月22日發(fā)射的“月船1號”軌道探月器，原定繞月運(yùn)行兩年，不料于2009年8月29日突然與地面站失去聯(lián)系，提前終止了探測任務(wù)。該探月器上的有效載荷裝有多臺美歐提供的科學(xué)儀器，其中包括美國航宇局研制的“月球礦物質(zhì)繪圖儀”即M3。正是這臺儀器獲得的探測數(shù)據(jù)被傳回地面之后，才促使美國科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了月球表面有水。

強(qiáng)勁的太陽風(fēng)

“月球礦物質(zhì)繪圖儀”是利用光譜掃描的方式來開展探測工作的。月球上沒有大氣層和云霧，太陽光能夠完全照射到月面上，M3在繞月運(yùn)行過程中，可對俯視月面反射太陽光的情況進(jìn)行追蹤掃描分析，從獲得的數(shù)據(jù)即能判斷月球土壤中的物質(zhì)元素成分。由于每種元素吸收的光波波長是事先知道的，故當(dāng)某一波長的光波未被反射或反射很少時，即可推知相應(yīng)的元素就存儲在月面上。換句話說，如果在M3的探測數(shù)據(jù)中找到了達(dá)到吸收峰值的光波波長，也就等于在月面上找到了與之對應(yīng)的物質(zhì)。美國布朗大學(xué)行星地質(zhì)學(xué)教授卡萊·彼德斯等人正是分析了這一儀器的探測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，月球兩極地區(qū)吸收的光波波長與水分子和羥基1分子吸收的光波波長相一致，才確認(rèn)了月面存在水和羥基1兩種物質(zhì)的。水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的，而羥基1分子則是由一個氧原子和一個氫原子組成的。

物理學(xué)揭示，盡管電磁波輻射源可分為黑體、灰體和選擇性輻射體三種類型，但是任何物質(zhì)都輻射電磁波。就一種物質(zhì)元素來講，它輻射和吸收的光波波長是一樣的。明白了這個道理，對于“月球礦物質(zhì)繪圖儀”旨在通過接收物質(zhì)發(fā)出或吸收的電磁輻射來探尋月表水資源也就能夠予以正確理解。這里講的物質(zhì)發(fā)出的電磁輻射即物質(zhì)輻射的固定波長的電磁波，實際上就是指的物質(zhì)吸收的固定波長的光波。當(dāng)然，M3不僅能發(fā)現(xiàn)水和羥基1，也能發(fā)現(xiàn)其他化學(xué)元素，只是前者屬首次發(fā)現(xiàn)，其意義重大，故特別引人注目，后者以前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，并不新鮮。由于“月船1號”在極月軌道運(yùn)行，M3每圈掃描月面一定的寬度，最終能將月面覆蓋一遍，在11個月與地面保持聯(lián)系工作期間已多次全覆蓋月面，故能給出月球物質(zhì)的分布圖。

美國“深度撞擊”彗星探測器釋放“撞擊者”

三個探測器共同證實

因為以前的多次航天探測和12名航天員登月均未在月球表面找到水，人們一直認(rèn)為月球是一個干燥荒涼的星球，所以科學(xué)家們從M3提供的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)月面有水之后，最初推測是該儀器出了故障，給出了錯誤的信號。彼德斯說：“為了找出問題在哪兒，我們內(nèi)部爭執(zhí)了很長時間?！苯鉀Q問題的辦法無疑是應(yīng)找到更多的證據(jù)。

研究組成員、馬里蘭大學(xué)天文學(xué)家杰茜卡·森夏恩想到了他在美國航宇局的“深度撞擊”號探測器上安置的一臺類似M3的儀器?！吧疃茸矒簟碧柺且粋€彗星探測器。它于2005年1月13日被發(fā)射升空，于同年7月3日釋放攜帶的子探測器“撞擊者”，讓后者于次日猛烈撞擊“坦普爾1”號彗星的彗核。在撞擊過程中，它不僅及時地對彗核情況進(jìn)行了探測，而且還適時地將獲得的數(shù)據(jù)資料傳回地球。隨后，它就在星際空間遨游。2007年12月13日，美國航宇局宣布，“深度撞擊”號將飛向第二個目標(biāo)“哈特利2”號彗星，拍攝其彗核照片，繼續(xù)執(zhí)行探測任務(wù)。2009年3月，“深度撞擊”號曾繞經(jīng)月球，從其安裝的類似M3儀器獲得的探測數(shù)據(jù)中，科學(xué)家們也找到月球上有水和羥基1的信號。這就基本解除了研究組原本存在的疑惑。

但是科學(xué)家們并未就此止步，他們又回顧了美國航宇局“卡西尼”號探測器的記錄。“卡西尼”號是1997年10月15日發(fā)射升空的土星探測器，也裝有類似于M3的科學(xué)儀器。它是沿著借助行星引力以提速的路線奔向土星的，曾于1999年8月18日飛掠地球，并于2004年7月1日進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道飛行，至今仍在工作。在飛掠地球期間，它也對月球進(jìn)行了探測。科學(xué)家們分析“卡西尼”號當(dāng)時傳回地面的探月數(shù)據(jù)，從中也發(fā)現(xiàn)了月球有水和羥基1。彼德斯說，三個不同的航天器上的三臺探測儀器同時出現(xiàn)同類型故障的概率幾近于零，所以這就證實了月球上確實存在水和羥基1兩種物質(zhì)。

雖然發(fā)現(xiàn)月面有水，令科學(xué)家們大吃一驚，但是月球還沒有潮濕到可以孕育生物的地步，那里仍然是個沒有生命的世界。彼德斯表示，當(dāng)我們說“月球上有水”時，并不是指湖泊、海洋或者小水洼。實際上月表水并不多，需要730平方米的土壤才能獲取一口水。森夏恩說，在容量為兩升的飲料瓶內(nèi)盛放的月球土壤中，很可能只有一滴水。這相當(dāng)于從1噸重的月表物質(zhì)中僅可以得到1千克的水。根據(jù)“深度撞擊”號提供的數(shù)據(jù)證實，月球表面大部分地區(qū)都存在水和羥基1的跡象，并不僅僅限于高緯度的兩極地區(qū)。

2009年10月9日，美國航宇局用一枚重2.2噸的半人馬座火箭和一個重891千克的牧羊探測器連續(xù)撞擊月球南極的凱布斯坑。兩次撞擊產(chǎn)生的效果相當(dāng)于1.5噸炸藥引爆的情況。從濺起的坑底物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，至少撞出了96升水，此舉揭示了月球南極永久陰影帶里存在水冰。這一堪稱里程碑式的發(fā)現(xiàn)，終于使月球露出了神秘的一面。美國《國家地理》雜志評出的2009年十大太空發(fā)現(xiàn)中，轟動世界的撞月找水事件和所獲肯定結(jié)論就榜上有名。其影響之大，由此可見一斑。繼而在2010年，美國航宇局又在月球北極附近發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個含水隕石坑，其中至少蘊(yùn)藏有6億噸水冰。

美國“卡西尼”探測器穿越土星光環(huán)

月球表面水的來源

關(guān)于月球表面水和羥基1的來源，當(dāng)時科學(xué)家們分析稱，其形成和滯留是一個持續(xù)進(jìn)行的過程，有些月表水可能來自撞擊月球的彗星或小行星，有些可能來自撞擊事件釋放的困于月表下面的水，但絕大部分則可能來自太陽風(fēng)攜帶的氫原子與月球土壤中的氧原子相結(jié)合形成的水。太陽風(fēng)是日冕因高溫膨脹而向外拋出的超音速帶電粒子流，其中主要含有帶正電荷的氫原子。由于地球有大氣層的阻隔和磁場的屏蔽，太陽風(fēng)無法直接到達(dá)地面，而月球缺乏這種保護(hù)，致使太陽風(fēng)可直達(dá)月面。在太陽風(fēng)的連續(xù)沖擊下，月面巖石的化學(xué)鏈被打破，結(jié)果釋放出氧原子，氧原子與氫原子相遇產(chǎn)生化合作用，就生成了水分子。美國行星協(xié)會的項目主任布魯斯·貝特說：“在月球被太陽光照射的區(qū)域發(fā)現(xiàn)水或者羥基物質(zhì)非常令人振奮”。被太陽光照射的月球區(qū)域，也就是被太陽風(fēng)直接吹到的區(qū)域，因此科學(xué)家們更傾向于月表水來自于第三種可能性。

2012年10月14日美國田納西大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)表報告說，他們利用紅外線光譜分析阿波羅11、16和17號飛船帶回的2個來自月球平原、1個來自月球高地的風(fēng)化層土壤顆粒樣本，取得它們的化學(xué)特征，結(jié)果顯示，其中所含有的氫氧基中的氫原子，其同位素比例等特征與太陽風(fēng)中的氫原子相似。氫氧基是由一個氫原子和一個氧原子組成的原子團(tuán)，再加上一個氫原子就變成了水。這就證實了原來科學(xué)家們從M3獲取的探測資料數(shù)據(jù)中得出的結(jié)論，即月球上發(fā)現(xiàn)的一部分水可能來自太陽，更確切地說是太陽風(fēng)將氫原子攜帶至月球表面，氫原子可以轉(zhuǎn)化為水分子或相近的羥基物質(zhì)。由于這是首次直接從月球土壤中經(jīng)過科學(xué)分析得出的結(jié)論，故而同樣引人注目。從研究儀器繞月探測數(shù)據(jù)和直接分析月面土壤樣本都獲得月球水可能來自太陽風(fēng)的認(rèn)識，無疑增強(qiáng)了此一結(jié)論的可信度。

印度月船-1探測器

太陽發(fā)射出不間斷的粒子流，致使太陽風(fēng)每秒流量達(dá)到100萬噸，對太陽這樣質(zhì)量的星體來說，此一損失微不足道。研究人員表示，太陽系中其他一些沒有大氣層、直接暴露于太陽風(fēng)的星球，也有類似的產(chǎn)生水的條件，比如距太陽最近的水星和一些諸如灶神星的小行星上就可能同樣存在源于太陽風(fēng)的水。研究團(tuán)隊認(rèn)為，這項研究為太陽系中其他類似月球這樣的天體尋找水源提供了一條線索或途徑。

本來在發(fā)現(xiàn)月表有水之后，一些科學(xué)家就認(rèn)為，隨著時間的推移，水分子在月表移動，直至被兩極月坑捕獲而結(jié)冰。月坑水如若果真存在幾十億年的話，科學(xué)家就可通過對它的研究而解開太陽系形成之謎。美國航宇局總部首席科學(xué)家邁克爾·沃戈說：“我們正在解開圍繞著這個離我們最近的鄰居的謎團(tuán)，延伸下去的話，還有太陽系?！庇纱丝梢?，研究月表水和月坑水的來歷對人類進(jìn)一步認(rèn)識宇宙奧秘具有重要作用。

與此同時，發(fā)現(xiàn)月表有水尤其是月坑有水對人類開發(fā)和利用月球資源亦有重大意義。參與撞月尋找月坑水項目的布朗大學(xué)地理學(xué)教授彼得·舒爾茨說：“自從阿波羅計劃終止后，我們斷言月球是座死星球。而現(xiàn)在擺在我們面前的，是一座存在了幾十億年的冰水庫?！薄拔覀円郧熬偷玫教崾菊f月球有水，但這一次，我們就像嘗到了水一樣?！笨茖W(xué)家認(rèn)為，月坑有水，為將來在月球上建立基地和向月球移民提供了基本條件。如若能在月球上找到大量冰水，就可在月球上建設(shè)永久性駐人基地，作為探索宇宙的中轉(zhuǎn)站。因為凈化后的水不僅可供人飲用，還能分解成氫氣和氧氣，二者冷卻后可變成液氫和液氧，從而能成為液體火箭低溫高能推進(jìn)劑。由于月球引力僅為地球引力的六分之一，故從月球基地上用小型火箭即可發(fā)射大型深空探測器和宇宙飛船。同時，月坑水也可能滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水之需，其長遠(yuǎn)影響將是更為廣泛的。毋庸置疑，月球找水任務(wù)和研究其來源的工作還會繼續(xù)進(jìn)行下去。事實上，世界航天大國都有繼續(xù)探月或者派人登月的計劃安排。最明顯的例證，就是10月22日英國《每日電訊報》報道稱，歐洲首個登月航天器項目現(xiàn)已啟動。根據(jù)歐洲空間局公布的計劃，其將在2018年進(jìn)行首次登月，目的是尋找月球上的水源，為未來完成載人登月任務(wù)的航天員提供生存資源，同時為人類移居月球鋪平道路。

1969年“阿波羅”11號拍攝的月球布滿隕石坑的地區(qū)。這個大隕坑的直徑為80千米