在太空時代的大部分時間裡，月球一直被認為是無水的世界。然而，近年來，持續不斷的發現表明，月球的至少某些部分（例如，兩極大型永久陰影隕石坑）含有大量的水。本週，發表在《自然-天文學》雜誌上的兩項新研究進一步開啟了對月球出乎意料地富含水的展望。
對於 NASA 和其他航天機構而言，現在正是規劃雄心勃勃的載人登月任務甚至是月球定居的好時機。畢竟，哪裡有水，哪裡就可能有生命——即使這種生命仍然需要宇航服和防輻射棲息地。
陽光照射下可能存在水的空中訊號
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來自 NASA 平流層紅外天文臺 (SOFIA) 收集的資料首次發現了月球水的跡象。這架改裝的波音 747SP 噴氣式飛機為其 2.7 米望遠鏡提供了高於 99% 的大氣阻擋水蒸氣的視野——這種獨特的能力使其能夠在紅外線下進行敏捷觀測，而無需使用天基設施。
2018 年 8 月下旬，由 NASA 戈達德太空飛行中心博士後專案研究員、夏威夷大學馬諾阿分校研究員凱西·霍尼鮑爾領導的團隊，使用 SOFIA 上的紅外儀器研究了陽光照射的月球表面。觀測僅持續了 10 分鐘，重點關注月球大型隕石坑克拉維烏斯附近的高南緯度區域，結果顯示隕石坑和周圍地貌在 6 微米 (µm) 波長處發出強烈的紅外輻射。被太陽曬熱後，月球表面上的某種物質正在重新發射吸收的輻射，就像分子水——普通的 H2O——會做的那樣。
NASA 的平流層紅外天文臺 (SOFIA) 正在空中飛行，其 17 公噸紅外望遠鏡的滑動門完全開啟。圖片來源：NASA 和吉姆·羅斯
霍尼鮑爾及其同事在其新論文中報告說：“我們不知道月球上還有任何其他合理的材料會在 6 µm 處表現出單一光譜特徵，除了 H2O。”作者認為，推測的水最有可能儲存在天然火山玻璃中，或夾在微觀的岩石塵埃顆粒之間。這兩種情況都可以為水提供免受月球表面極端溫度和近真空條件的影響的保護，使水得以持續存在。至於它最初是如何到達那裡的，沒有人確定，但主要的解釋是，水可能是由微隕石撞擊從月球岩石中釋放出來的遊離氧和氫形成的。
霍尼鮑爾說，使用 SOFIA 是一種用於月球科學的全新且獨特的方法，但這並不是地球觀測首次揭示月球發出的 6 微米輻射。天文學家 G. R. 亨特和 J. W.索爾茲伯裡的氣球載觀測顯示了光譜特徵，她說。但亨特和索爾茲伯裡在他們 1969 年發表的關於該研究的論文中沒有提及這一點。相反，他們專注於表徵月球表面的礦物質。“也許他們只是不知道他們做出了一個巨大的發現，”霍尼鮑爾推測道。
半滿的玻璃杯
霍尼鮑爾和她的同事已經獲得了更多 SOFIA 的後續觀測時間。“我們希望繪製月球大部分割槽域的地圖，以表徵水的行為，”她說。“它是否會隨著月球一天中的時間和緯度在月球表面變化？這將有助於我們瞭解其來源和存在位置。”
反過來，這可能會告訴世界，這種新發現的水在未來可能會有多大的用處。如果水主要存在於岩石顆粒表面，那麼提取將非常簡單：只需舀起月球土壤並對其進行適度加熱即可。然而，如果水被鎖在玻璃中，則必須熔化該材料才能釋放水以進行收集——這是一個更加耗能的過程。
霍尼鮑爾說：“目前，我們不清楚我們用 SOFIA 看到的水量是否足以使熔化玻璃物有所值。”“然而，如果我們發現丰度足夠高，這可能比在永久陰影區域開採水冰更可行的選擇，因為永久陰影區域是極端環境，難以在其中工作。”
傑克·施密特是一位地質學家，作為阿波羅 17號宇航員的成員，他仍然是唯一一位登上月球的專業科學家。他說，SOFIA 的測量可能並未揭示真正的分子水，而是一些更脆弱和短暫的東西。“我想問的問題是，”施密特說，“SOFIA 資料是否可能與太陽風氫與矽酸鹽玻璃和月球風化層礦物顆粒表面的可能弱鍵合有關，而不是實際的分子水？”
這種反應的產物之一可能是羥基，一種只比水少一個氫原子的分子。然而，霍尼鮑爾說，SOFIA 看到的 6 微米輻射與羥基不一致。
無論 SOFIA 訊號背後的物質是什麼，施密特指出，基本的化學反應應該允許從即使是骨幹的月球材料中擰出水分。“將含氫風化層加熱到幾百度會導致一些氫與矽酸鹽中的氧反應，從而在月球上的幾乎任何地方產生水，”他說。
小陰影，無限可能
另一篇與《自然-天文學》雜誌上的 SOFIA 研究同時發表的論文重點介紹了月球上永久陰影區域（稱為冷阱的避光場所）分佈的增加，在這些區域中，極低的溫度可能會凍結並隔離水，基本上是無限期地，使其在地質時期內積累成大量沉積物。
沙克爾頓隕石坑的陽光照射邊緣的斜檢視，這是一個靠近月球南極的大型深隕石坑，其永久陰影內部蘊藏著大量水冰。圖片來源：NASA、GSFC 和亞利桑那州立大學
幾十年來，科學家們一直在研究此類月球區域的水蘊藏潛力，但以前的工作主要集中在月球兩極巨大隕石坑內的大型冷阱上。相比之下，最新的結果將考慮的冷阱尺寸範圍擴充套件到直徑低至一釐米。科羅拉多大學博爾德分校行星科學家保羅·海恩領導的一個團隊分析了 NASA 月球勘測軌道飛行器的高解析度影像，發現這種“微型”冷阱比月球兩極附近研究充分的大型冷阱更為普遍。新的計算將具有捕獲水能力的總表面積提高到約 40,000 平方公里——一個泛月球區域，總體而言，它將是威爾士的兩倍大。
海恩說：“新發現的微型冷阱是月球上數量最多的冷阱，比之前繪製的冷阱多出數千倍。”“如果它們都充滿了冰，這可能是一個相當大的數量，可能超過十億公斤的水。”
然而，海恩補充說，需要機器人或宇航員進行原位取樣才能正確評估它們的實際冰含量。“微型冷阱真正令人興奮之處在於它們更容易接近，這可以更有效地提取和利用，以實現科學和探索目的，”他說。海恩說，事實上，這種微小潛在冰庫的擴散可能更容易為未來的任務所利用，因為它們存在於陽光充足的區域，宇航員可以舒適安全地使用工具伸入危險的寒冷陰影中，挖出任何冰。
目前，為了進一步判斷微型冷阱的價值，海恩和他的同事將使用一種名為月球緊湊型紅外成像系統的高科技相機，該相機最早將於 2022 年搭乘 NASA 商業月球有效載荷服務計劃的首次南極著陸器任務前往月球。該相機將首次拍攝微型冷阱的特寫照片，並測量它們的溫度。
地面實況調查
一方面，SOFIA 和微型冷阱研究是可喜的訊息。然而，倫敦大學伯貝克學院的月球專家伊恩·克勞福德說，大局仍然沒有改變。
他清楚地表示，月球上越容易獲得水，就越有可能就地提取和利用水來維持當前的探索工作。最終，將月球水作為資源開發可能會引發整個地外經濟，在這種經濟中，該物質將成為火箭燃料和其他珍貴消耗品的有利可圖的原料。然而，克勞福德說：“目前，迫切需要‘地面實況’測量來證實基於遙感測量得出的推論。”
科羅拉多礦業學院太空資源中心主任安吉爾·阿布德-馬德里德也指出，直接測量是繼新發現之後最重要的下一步。“現在需要的是接觸月球表面並收集詳細的地面實況，”他說。“必須確認不僅存在水冰，而且還必須確認其形態、濃度、分佈和豐度，才能繼續進行現有的勘探和資源利用計劃。”