两项新研究正帮助科学家弄清楚，在地球的卫星月球上，究竟有多少水以及这些水在哪里。
供图：NASA/GSFC/ARIZONA STATE UNIVERSITY
撰文：MAYA WEI-HAAS
多年来，科学家们一直在努力探索月球上神秘的水。现在，发表于《自然天文学》的两项新研究证实，月球表面可能充满了水。
其中一项研究提供了首个确凿的证据，证明在月球表面照射到阳光的地带，水分子就附着或被包裹在月球土壤颗粒中。另一项研究则模拟了月球上永久处于阴影中的一小片区域，发现在这片面积约39885平方公里的地方（相当于近750万个足球场），温度低到足以产生冰，而且冰量比之前以为的多20%。
通过研究水在月球表面的存在形式以及位置，科学家们希望更好地了解月球神秘的水循环。地球上的水通过河流和降水循环，月球则不然。月球上的水可能源于太阳风中的氢和表面的氧发生反应，以及撞击地面的冰陨石。月球上的水可能也会从光照区向阴影区移动。
但这些水确切的流动情况，以及从光照区向阴影区移动的可能性，仍是一个谜。“想要知道它们之间是否有关联，我们还有大量工作要做，”马里兰大学的行星科学家Jessica Sunshine说。她没有参与这两项研究，但表示新研究“提出的过程比我们之前想的更复杂”
这项工作对于未来人类的月球之旅以及前往更远的星球至关重要，包括NASA即将开始的阿特米斯卫星任务，首位女性和另一位男性宇航员将登上月球。水和冰的存在意味着可以开采水资源，并转化为燃料，减少未来宇航员在地外探险时必须承载的负担。
我们对地球卫星的认知也在慢慢转变，月球上的水就是其中一部分。曾几何时，这个充满活力的世界被认为是一片荒芜的土地，事实上这里的水不仅来源复杂，而且有多种形式。
“这是一个缓慢的循环，”科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家、阴影区研究的首席著者Paul Hayne说：“但它终究是循环。”
水世界
月球是一个极热且极冷的世界。白天时，月赤道附近的温度可达炙热的121度，而夜间温度则会降至寒冷的零下133度。再加上没有厚厚的大气层的保护，蒸发掉的水分会迅速逸散到太空中。
但令科学家高兴的是，在阳光照射的月球表面，似乎仍留有水的微弱痕迹。2009年，三艘宇宙飞船上的仪器证实了这一发现，但有一个问题：分析结果无法辨别水和羟基。
研究人员利用红外线，在月球表面寻找水的特征。NASA戈达德太空飞行中心的博士后研究员、分子水研究的首席著者Casey Honniball告诉我们，就像可见光透过棱镜，“红外线也有自己的彩虹，虽然我们看不见”。早期的分析集中在水和羟基都发光的红外光谱部分。通过选择光谱的不同部分，Honniball和同事把注意力集中在水分子（H2O）上。
“我真的不知道为什么没人早点想到这一点，这是个非常棒的想法，”Sunshine说。她曾于2009年在月球上探测到了水的信号。
在新研究中，Honniball和同事收集了平流层红外线天文观测台（安装在大型喷气式客机的一个红外望远镜）在2018年的一次飞行中收集的数据。几个月后，Honniball处理这些数据时，发现了水的信号。“我想我当场尖叫了起来，”她说。
虽然有水存在，但水量可能非常少，相当于每立方米泥土含有355毫升水。Honniball指出，这比撒哈拉沙漠干燥100倍，不过她提醒我们，需要更多工作才能验证水的含量，因为这一估值是基于月球日的一个时间、一个地点的一次观察结果得出的。
但对于Sunshine而言，这是期待已久的确认。“这非常有意义，”她说：“我很感激他们的工作。”
进入阴影
第二项研究主要集中在月球表面的阴暗缝隙。一直以来，科学家怀疑水可能以冰的形式存在于永久阴影区的大型陨石坑内。2009年10月，NASA的月球陨石坑观测和传感卫星（LCROSS）探测器部分撞击月球南极附近的阴影区，在撞击羽流中探测到了冰的证据，从而证实阴影区存在冰。
此后，研究人员绘制了这些大片冰区的地图。但在看到了NASA月球勘测轨道飞行器传回的月球表面的高分辨率图像后，新的研究团队意识到，阴影中的冰区可能比想象的更普遍，甚至存在于在很小的地方。他们每次放大图像，都会看到更多，“全都是阴影，”Hayne说。
通过模拟月球上的温度和阴影，研究团队发现冰可以在很小的区域内形成，比如蚂蚁那么小。Hayne指出，这些微小的阴影可以和较大的那些一样寒冷。月球的大气层非常稀薄，无法平衡表面温度，因此沸腾的热点旁，可能就是零下几百度。
新研究表明，寒冷的阴影区比之前估计的大20%。如果这些区域充满冰冻，那么冰的总量相当于几十亿公斤的水，Hayne说。但究竟有多少冰，还是一个未知数。
缓慢循环
这些研究可以帮助科学家拼凑出月球上的水循环运行过程。月球上的水有多个不同来源。一些可能随着撞击表面的陨石一起来到月球，但也有可能是太阳风中的氢和月球表面的氧反应后，形成羟基。来自太阳的热量或微陨石撞击可能导致羟基分子碰撞形成水分子，Honniball说。
微陨石等撞击物带来的热量也会融化一些岩石表面，使周围的水蒸发。随着熔化物冷却成玻璃，水蒸气也被封入其中，这可能就是为什么Honniball和她的团队会发现水的信号。
但水在月球表面的运动方式和具体位置，仍然是未解之谜。Sunshine说，陨石可以释放表面的一些水，太阳在水的运动过程中也起到了一定的作用，因为在月球日，随着热量升高，水和羟基的信号会减弱。“我们真的失去它了吗？还是说它进入了阴影区？这些小型寒冷陷阱或许可以帮助我们找出真相。”
关于月球上的水，科学家还有很多要探索的地方，不过有一些答案即将揭晓。2022年，NASA计划把挥发物调查极地探测车（VIPER）送到月球南极，去寻找水冻冰块。同样将于2022年执行任务的月球紧凑型红外成像系统（L-CIRIS）会带来更多线索，Hayne说。
至少从20世纪60年代起，科学家就在推测月球上是否存在水，而在未来几年里，我们将有一个完整的认知：月球上的水藏在哪里？之后的探索者是否可以加以利用？
（译者：Sky4）
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