月球?qū)に?：從“月?！钡剿?/h1>
2018-12-19 08:32:22
奧秘 2018年12期
一直以來，人們都在致力于尋找月球上水存在的證據(jù)。近年來，隨著探測設(shè)備和數(shù)據(jù)分析水平的提高，月球?qū)に氖斋@頗豐。日前，科學(xué)家首次直接觀察到月球表面存在水冰的確切證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)讓人們對于如何更好地利用月球資源以及建立月球基地產(chǎn)生了更多期待。
緣起——人類對月球存在水的美好憧憬
月球作為我們的近鄰，也是自古以來被人類觀察最多的星球，人類一直寄希望于月球上有水的存在。很早以前的古希臘人，就在通過肉眼觀察月球表面時，想象著那些看起來暗一些的區(qū)域可能是海洋，而亮一些的區(qū)域則是陸地。
當(dāng)17世紀(jì)初望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后，天文學(xué)家便不再僅僅用肉眼觀察星空，而是借助望遠(yuǎn)鏡對夜空的天體進(jìn)行更為細(xì)致的觀察。哈里奧特和伽利略等人在用望遠(yuǎn)鏡觀察我們的近鄰月球時，發(fā)現(xiàn)月球表面有一些大小不等的暗色區(qū)域，按照當(dāng)時人類對于地球的認(rèn)識，他們猜測那些反光弱的暗區(qū)是月球上的海洋，就用拉丁文“maria”（海）來稱呼，同時把相對比較光亮的地方，稱之為月陸。
我們知道，由于潮汐鎖定，月球始終只有一面對著我們，這一面中約有三分之一是早期天文學(xué)家眼中的月海。1651年，來自意大利耶穌教會的兩位天文學(xué)家繪制了較為詳細(xì)的月面圖并命名了許多的月貌特征，其中不僅有月海，還有小的月湖、月灣和月沼，足以說明當(dāng)時天文學(xué)家對于月球上有水的無限期待。雖然現(xiàn)在我們知道在月球表面存在液態(tài)水的概率微乎其微，更別說江河湖海了，那些看起來稍顯暗淡的區(qū)域其實是月球表面地勢較低的平原，但三百多年前命名的那些月海已經(jīng)成為一種習(xí)慣稱呼，絕大多數(shù)依然被沿用至今。
月球兩級水冰（藍(lán)色）分布圖
歷史——對于月球是否有水存在的科學(xué)探索
如果說月海的命名是人們對于“月球表面跟地球一樣充滿液態(tài)水”的美好幻想的話，那么1961年加州理工大學(xué)沃森等人提出的“水冰可能長時間存在于月球永久陰影區(qū)域”的觀點(diǎn)，則更多的是基于科學(xué)認(rèn)知和分析計算后的合理推測。
美國“阿波羅”登月宇航員帶回了大量月球巖石和土壤標(biāo)本，科學(xué)家從中檢測到了微量水的痕跡，但經(jīng)過測定，其中氧的同位素比率與地球上氧的同位素比率相近，科學(xué)家無法加以區(qū)分，所以當(dāng)時絕大多數(shù)觀點(diǎn)都認(rèn)為這些水的痕跡是被地球污染的結(jié)果。
1976年，前蘇聯(lián)“月球24號”探測器挖取了月表下2米深處的月球樣品，幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)順利帶回了位于莫斯科的實驗室。隨后三位蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)表了一篇俄文論文，宣布在這170克樣品中發(fā)現(xiàn)了0.1%含量的水。他們聲稱雖然在檢測過程中采取了一切可能的措施避免實驗室中水蒸氣對于樣品的污染，但是依然不敢擔(dān)保這一結(jié)果絕對沒有遭到任何污染。
1994年發(fā)射的“克萊門汀號”月球探測器，在對月球南極陰影區(qū)進(jìn)行雷達(dá)探測時，接收到的部分雷達(dá)回波的強(qiáng)度和極化性質(zhì)與干燥的巖石土壤回波性質(zhì)不同，呈現(xiàn)出與揮發(fā)性冰類似的特征，當(dāng)然也有可能是甲烷或者其他固態(tài)揮發(fā)物。
與雷達(dá)探測不同，1998年發(fā)射的“月球勘探者號”探測器，則攜帶了可以測量氫含量的中子探測儀，試圖從另一個角度探尋水的痕跡。它也的確在月球兩極地區(qū)，尤其是北極探測到了較為豐富的氫。當(dāng)然氫的富集可能是水，亦有可能是其他含氫物質(zhì)造成的，所以基于這一結(jié)果科學(xué)家還是無法確切證明水的存在。
十年后，美國又一并發(fā)射了“月球勘測軌道器”和“月球坑觀測和遙感衛(wèi)星”，前者對月球整體進(jìn)行更為細(xì)致的研究（包含一個類似“月球勘探者號”的中子探測設(shè)備），而后者專門負(fù)責(zé)撞月找水，各司其職的兄弟倆又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。其中“月球坑觀測和遙感衛(wèi)星”在撞擊南極永久陰影區(qū)的一個隕石坑后，通過對撞擊過程中大量數(shù)據(jù)尤其是光譜數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，科學(xué)家在撞擊濺起的蒸汽和粉塵，以及個頭較大的碎石顆粒中，都探測到了含有水的特征，從而間接證實月球極區(qū)的永久陰影區(qū)里確實有水。至于這些水是來自于月表還是月下更深處，它們到底是什么存在形式，當(dāng)時還無法定論。
值得一提的是，印度于2008年底發(fā)射的“月船1號”，上面搭載的諸多探測設(shè)備都為月球?qū)に峁┝烁鄬氋F數(shù)據(jù)。2009年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的文章，就宣布在較為寒冷的高緯度地區(qū)和許多隕石坑中，都發(fā)現(xiàn)了大量羥基或是含水礦物質(zhì)的吸收特征，但科學(xué)家依然無法對上述兩種水的具體存在形式加以區(qū)分。也就是說，科學(xué)家通過上述種種探測研究，得到的都是月球上有水存在的間接證據(jù)，并沒有找到百分百的直接證據(jù)。
印度發(fā)射的“月船1號”探測器
當(dāng)下——月表存在水冰的直接證據(jù)
2018年8月20日，夏威夷大學(xué)的李帥所帶領(lǐng)的團(tuán)隊發(fā)表文章宣布，他們首次在月球表面發(fā)現(xiàn)了水冰存在的直接證據(jù)！而這一結(jié)論所基于的數(shù)據(jù)，就是上面提到的，十年前發(fā)射的“月船1號”上攜帶的月球礦物繪圖儀。
李帥團(tuán)隊重新分析了波長范圍在0.46～2.98微米（1米的一百萬分之一）的數(shù)據(jù)。經(jīng)過了細(xì)致巧妙的分析和充分論證后，他們確認(rèn)了多處水冰存在的位置，并繪制了月球兩級水冰的分布圖。雖然他們找到了月球表面水冰存在的確鑿證據(jù)，但是目前的研究發(fā)現(xiàn)這些水冰不僅分布范圍較少（只暴露在大約3.5%的陰影區(qū)域），而且還與大量的其他雜質(zhì)混合在一起，純度也不高。如此稀疏的覆蓋和異質(zhì)性表明，這種月球水冰與其他無大氣巖石世界（例如水星和谷神星）極區(qū)中發(fā)現(xiàn)的大量高純度水冰有著截然不同的產(chǎn)生演化歷史。當(dāng)然了，由于月球礦物繪圖儀只能探測月表很淺層的區(qū)域，那這之下是否有更多水冰的存在，那里水的純度是否會更高，這些問題都值得科學(xué)家們進(jìn)一步分析研究。
未來——水冰存在可以更好地利用月球資源
月球作為距離我們最近的星球，雖然受限于環(huán)境的特殊性，我們無法大量移民到月球居住生存，但是月球僅有地球六分之一的表面重力是作為太空中轉(zhuǎn)基地的理想場所，以月球作為跳板，發(fā)射航天器會節(jié)省很多燃料獲得更大的推力，從而助力未來人類航天器飛向更加遙遠(yuǎn)的宇宙深處。此外，月球上大量的氦-3資源也同樣等待著人類去建立基地開發(fā)利用。
月球上水冰的存在或?qū)⒊蔀槲磥斫⒃虑蚧貢r降低成本的重要因素，畢竟相比于從地球通過航天器運(yùn)輸水（或氫氣和氧氣）到月球，直接在月球上就地取材無疑是更加理想的方式。
雖然這次直接發(fā)現(xiàn)的月表水冰含量并不大，但科學(xué)家也寄希望于月表下更深處會貯藏著更多的水冰。如果未來調(diào)查發(fā)現(xiàn)含量特別大，人類可以在月球上直接設(shè)法開采這些水冰，為直接飲用甚至可能種植的農(nóng)作物提供液態(tài)水；也可以通過配備太陽能電池板或核發(fā)電機(jī)將水分解為氧氣和氫氣，供給人類呼吸以及作為火箭燃料使用。不僅如此，水冰中的氫也可用于提取月球土壤中的氧化物，進(jìn)而獲得更多的氧氣。
總之，這次月球表面發(fā)現(xiàn)水冰的確鑿證據(jù)，必將帶來科學(xué)家研究月球和未來利用月球資源的新熱潮，或許不久的將來，宇航員就可以在月球上建立基地，并利用月球上的水冰進(jìn)行生活和工作。讓我們期待那一天早日到來！
一直以來，人們都在致力于尋找月球上水存在的證據(jù)。近年來，隨著探測設(shè)備和數(shù)據(jù)分析水平的提高，月球?qū)に氖斋@頗豐。日前，科學(xué)家首次直接觀察到月球表面存在水冰的確切證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)讓人們對于如何更好地利用月球資源以及建立月球基地產(chǎn)生了更多期待。
緣起——人類對月球存在水的美好憧憬
月球作為我們的近鄰，也是自古以來被人類觀察最多的星球，人類一直寄希望于月球上有水的存在。很早以前的古希臘人，就在通過肉眼觀察月球表面時，想象著那些看起來暗一些的區(qū)域可能是海洋，而亮一些的區(qū)域則是陸地。
當(dāng)17世紀(jì)初望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后，天文學(xué)家便不再僅僅用肉眼觀察星空，而是借助望遠(yuǎn)鏡對夜空的天體進(jìn)行更為細(xì)致的觀察。哈里奧特和伽利略等人在用望遠(yuǎn)鏡觀察我們的近鄰月球時，發(fā)現(xiàn)月球表面有一些大小不等的暗色區(qū)域，按照當(dāng)時人類對于地球的認(rèn)識，他們猜測那些反光弱的暗區(qū)是月球上的海洋，就用拉丁文“maria”（海）來稱呼，同時把相對比較光亮的地方，稱之為月陸。
我們知道，由于潮汐鎖定，月球始終只有一面對著我們，這一面中約有三分之一是早期天文學(xué)家眼中的月海。1651年，來自意大利耶穌教會的兩位天文學(xué)家繪制了較為詳細(xì)的月面圖并命名了許多的月貌特征，其中不僅有月海，還有小的月湖、月灣和月沼，足以說明當(dāng)時天文學(xué)家對于月球上有水的無限期待。雖然現(xiàn)在我們知道在月球表面存在液態(tài)水的概率微乎其微，更別說江河湖海了，那些看起來稍顯暗淡的區(qū)域其實是月球表面地勢較低的平原，但三百多年前命名的那些月海已經(jīng)成為一種習(xí)慣稱呼，絕大多數(shù)依然被沿用至今。
月球兩級水冰（藍(lán)色）分布圖
歷史——對于月球是否有水存在的科學(xué)探索
如果說月海的命名是人們對于“月球表面跟地球一樣充滿液態(tài)水”的美好幻想的話，那么1961年加州理工大學(xué)沃森等人提出的“水冰可能長時間存在于月球永久陰影區(qū)域”的觀點(diǎn)，則更多的是基于科學(xué)認(rèn)知和分析計算后的合理推測。
美國“阿波羅”登月宇航員帶回了大量月球巖石和土壤標(biāo)本，科學(xué)家從中檢測到了微量水的痕跡，但經(jīng)過測定，其中氧的同位素比率與地球上氧的同位素比率相近，科學(xué)家無法加以區(qū)分，所以當(dāng)時絕大多數(shù)觀點(diǎn)都認(rèn)為這些水的痕跡是被地球污染的結(jié)果。
1976年，前蘇聯(lián)“月球24號”探測器挖取了月表下2米深處的月球樣品，幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)順利帶回了位于莫斯科的實驗室。隨后三位蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)表了一篇俄文論文，宣布在這170克樣品中發(fā)現(xiàn)了0.1%含量的水。他們聲稱雖然在檢測過程中采取了一切可能的措施避免實驗室中水蒸氣對于樣品的污染，但是依然不敢擔(dān)保這一結(jié)果絕對沒有遭到任何污染。
1994年發(fā)射的“克萊門汀號”月球探測器，在對月球南極陰影區(qū)進(jìn)行雷達(dá)探測時，接收到的部分雷達(dá)回波的強(qiáng)度和極化性質(zhì)與干燥的巖石土壤回波性質(zhì)不同，呈現(xiàn)出與揮發(fā)性冰類似的特征，當(dāng)然也有可能是甲烷或者其他固態(tài)揮發(fā)物。
與雷達(dá)探測不同，1998年發(fā)射的“月球勘探者號”探測器，則攜帶了可以測量氫含量的中子探測儀，試圖從另一個角度探尋水的痕跡。它也的確在月球兩極地區(qū)，尤其是北極探測到了較為豐富的氫。當(dāng)然氫的富集可能是水，亦有可能是其他含氫物質(zhì)造成的，所以基于這一結(jié)果科學(xué)家還是無法確切證明水的存在。
十年后，美國又一并發(fā)射了“月球勘測軌道器”和“月球坑觀測和遙感衛(wèi)星”，前者對月球整體進(jìn)行更為細(xì)致的研究（包含一個類似“月球勘探者號”的中子探測設(shè)備），而后者專門負(fù)責(zé)撞月找水，各司其職的兄弟倆又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。其中“月球坑觀測和遙感衛(wèi)星”在撞擊南極永久陰影區(qū)的一個隕石坑后，通過對撞擊過程中大量數(shù)據(jù)尤其是光譜數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，科學(xué)家在撞擊濺起的蒸汽和粉塵，以及個頭較大的碎石顆粒中，都探測到了含有水的特征，從而間接證實月球極區(qū)的永久陰影區(qū)里確實有水。至于這些水是來自于月表還是月下更深處，它們到底是什么存在形式，當(dāng)時還無法定論。
值得一提的是，印度于2008年底發(fā)射的“月船1號”，上面搭載的諸多探測設(shè)備都為月球?qū)に峁┝烁鄬氋F數(shù)據(jù)。2009年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的文章，就宣布在較為寒冷的高緯度地區(qū)和許多隕石坑中，都發(fā)現(xiàn)了大量羥基或是含水礦物質(zhì)的吸收特征，但科學(xué)家依然無法對上述兩種水的具體存在形式加以區(qū)分。也就是說，科學(xué)家通過上述種種探測研究，得到的都是月球上有水存在的間接證據(jù)，并沒有找到百分百的直接證據(jù)。
印度發(fā)射的“月船1號”探測器
當(dāng)下——月表存在水冰的直接證據(jù)
2018年8月20日，夏威夷大學(xué)的李帥所帶領(lǐng)的團(tuán)隊發(fā)表文章宣布，他們首次在月球表面發(fā)現(xiàn)了水冰存在的直接證據(jù)！而這一結(jié)論所基于的數(shù)據(jù)，就是上面提到的，十年前發(fā)射的“月船1號”上攜帶的月球礦物繪圖儀。
李帥團(tuán)隊重新分析了波長范圍在0.46～2.98微米（1米的一百萬分之一）的數(shù)據(jù)。經(jīng)過了細(xì)致巧妙的分析和充分論證后，他們確認(rèn)了多處水冰存在的位置，并繪制了月球兩級水冰的分布圖。雖然他們找到了月球表面水冰存在的確鑿證據(jù)，但是目前的研究發(fā)現(xiàn)這些水冰不僅分布范圍較少（只暴露在大約3.5%的陰影區(qū)域），而且還與大量的其他雜質(zhì)混合在一起，純度也不高。如此稀疏的覆蓋和異質(zhì)性表明，這種月球水冰與其他無大氣巖石世界（例如水星和谷神星）極區(qū)中發(fā)現(xiàn)的大量高純度水冰有著截然不同的產(chǎn)生演化歷史。當(dāng)然了，由于月球礦物繪圖儀只能探測月表很淺層的區(qū)域，那這之下是否有更多水冰的存在，那里水的純度是否會更高，這些問題都值得科學(xué)家們進(jìn)一步分析研究。
未來——水冰存在可以更好地利用月球資源
月球作為距離我們最近的星球，雖然受限于環(huán)境的特殊性，我們無法大量移民到月球居住生存，但是月球僅有地球六分之一的表面重力是作為太空中轉(zhuǎn)基地的理想場所，以月球作為跳板，發(fā)射航天器會節(jié)省很多燃料獲得更大的推力，從而助力未來人類航天器飛向更加遙遠(yuǎn)的宇宙深處。此外，月球上大量的氦-3資源也同樣等待著人類去建立基地開發(fā)利用。
月球上水冰的存在或?qū)⒊蔀槲磥斫⒃虑蚧貢r降低成本的重要因素，畢竟相比于從地球通過航天器運(yùn)輸水（或氫氣和氧氣）到月球，直接在月球上就地取材無疑是更加理想的方式。
雖然這次直接發(fā)現(xiàn)的月表水冰含量并不大，但科學(xué)家也寄希望于月表下更深處會貯藏著更多的水冰。如果未來調(diào)查發(fā)現(xiàn)含量特別大，人類可以在月球上直接設(shè)法開采這些水冰，為直接飲用甚至可能種植的農(nóng)作物提供液態(tài)水；也可以通過配備太陽能電池板或核發(fā)電機(jī)將水分解為氧氣和氫氣，供給人類呼吸以及作為火箭燃料使用。不僅如此，水冰中的氫也可用于提取月球土壤中的氧化物，進(jìn)而獲得更多的氧氣。
總之，這次月球表面發(fā)現(xiàn)水冰的確鑿證據(jù)，必將帶來科學(xué)家研究月球和未來利用月球資源的新熱潮，或許不久的將來，宇航員就可以在月球上建立基地，并利用月球上的水冰進(jìn)行生活和工作。讓我們期待那一天早日到來！
