在太空时代的大部分时间里，月球一直被认为是无水的世界。然而，近年来，持续不断的发现表明，月球的至少某些部分（例如，两极大型永久阴影陨石坑）含有大量的水。本周，发表在《自然-天文学》杂志上的两项新研究进一步开启了对月球出乎意料地富含水的展望。
对于 NASA 和其他航天机构而言，现在正是规划雄心勃勃的载人登月任务甚至是月球定居的好时机。毕竟，哪里有水，哪里就可能有生命——即使这种生命仍然需要宇航服和防辐射栖息地。
阳光照射下可能存在水的空中信号
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来自 NASA 平流层红外天文台 (SOFIA) 收集的数据首次发现了月球水的迹象。这架改装的波音 747SP 喷气式飞机为其 2.7 米望远镜提供了高于 99% 的大气阻挡水蒸气的视野——这种独特的能力使其能够在红外线下进行敏捷观测，而无需使用天基设施。
2018 年 8 月下旬，由 NASA 戈达德太空飞行中心博士后项目研究员、夏威夷大学马诺阿分校研究员凯西·霍尼鲍尔领导的团队，使用 SOFIA 上的红外仪器研究了阳光照射的月球表面。观测仅持续了 10 分钟，重点关注月球大型陨石坑克拉维乌斯附近的高南纬度区域，结果显示陨石坑和周围地貌在 6 微米 (µm) 波长处发出强烈的红外辐射。被太阳晒热后，月球表面上的某种物质正在重新发射吸收的辐射，就像分子水——普通的 H2O——会做的那样。
NASA 的平流层红外天文台 (SOFIA) 正在空中飞行，其 17 公吨红外望远镜的滑动门完全打开。图片来源：NASA 和吉姆·罗斯
霍尼鲍尔及其同事在其新论文中报告说：“我们不知道月球上还有任何其他合理的材料会在 6 µm 处表现出单一光谱特征，除了 H2O。”作者认为，推测的水最有可能储存在天然火山玻璃中，或夹在微观的岩石尘埃颗粒之间。这两种情况都可以为水提供免受月球表面极端温度和近真空条件的影响的保护，使水得以持续存在。至于它最初是如何到达那里的，没有人确定，但主要的解释是，水可能是由微陨石撞击从月球岩石中释放出来的游离氧和氢形成的。
霍尼鲍尔说，使用 SOFIA 是一种用于月球科学的全新且独特的方法，但这并不是地球观测首次揭示月球发出的 6 微米辐射。天文学家 G. R. 亨特和 J. W.索尔兹伯里的气球载观测显示了光谱特征，她说。但亨特和索尔兹伯里在他们 1969 年发表的关于该研究的论文中没有提及这一点。相反，他们专注于表征月球表面的矿物质。“也许他们只是不知道他们做出了一个巨大的发现，”霍尼鲍尔推测道。
半满的玻璃杯
霍尼鲍尔和她的同事已经获得了更多 SOFIA 的后续观测时间。“我们希望绘制月球大部分区域的地图，以表征水的行为，”她说。“它是否会随着月球一天中的时间和纬度在月球表面变化？这将有助于我们了解其来源和存在位置。”
反过来，这可能会告诉世界，这种新发现的水在未来可能会有多大的用处。如果水主要存在于岩石颗粒表面，那么提取将非常简单：只需舀起月球土壤并对其进行适度加热即可。然而，如果水被锁在玻璃中，则必须熔化该材料才能释放水以进行收集——这是一个更加耗能的过程。
霍尼鲍尔说：“目前，我们不清楚我们用 SOFIA 看到的水量是否足以使熔化玻璃物有所值。”“然而，如果我们发现丰度足够高，这可能比在永久阴影区域开采水冰更可行的选择，因为永久阴影区域是极端环境，难以在其中工作。”
杰克·施密特是一位地质学家，作为阿波罗 17号宇航员的成员，他仍然是唯一一位登上月球的专业科学家。他说，SOFIA 的测量可能并未揭示真正的分子水，而是一些更脆弱和短暂的东西。“我想问的问题是，”施密特说，“SOFIA 数据是否可能与太阳风氢与硅酸盐玻璃和月球风化层矿物颗粒表面的可能弱键合有关，而不是实际的分子水？”
这种反应的产物之一可能是羟基，一种只比水少一个氢原子的分子。然而，霍尼鲍尔说，SOFIA 看到的 6 微米辐射与羟基不一致。
无论 SOFIA 信号背后的物质是什么，施密特指出，基本的化学反应应该允许从即使是骨干的月球材料中拧出水分。“将含氢风化层加热到几百度会导致一些氢与硅酸盐中的氧反应，从而在月球上的几乎任何地方产生水，”他说。
小阴影，无限可能
另一篇与《自然-天文学》杂志上的 SOFIA 研究同时发表的论文重点介绍了月球上永久阴影区域（称为冷阱的避光场所）分布的增加，在这些区域中，极低的温度可能会冻结并隔离水，基本上是无限期地，使其在地质时期内积累成大量沉积物。
沙克尔顿陨石坑的阳光照射边缘的斜视图，这是一个靠近月球南极的大型深陨石坑，其永久阴影内部蕴藏着大量水冰。图片来源：NASA、GSFC 和亚利桑那州立大学
几十年来，科学家们一直在研究此类月球区域的水蕴藏潜力，但以前的工作主要集中在月球两极巨大陨石坑内的大型冷阱上。相比之下，最新的结果将考虑的冷阱尺寸范围扩展到直径低至一厘米。科罗拉多大学博尔德分校行星科学家保罗·海恩领导的一个团队分析了 NASA 月球勘测轨道飞行器的高分辨率图像，发现这种“微型”冷阱比月球两极附近研究充分的大型冷阱更为普遍。新的计算将具有捕获水能力的总表面积提高到约 40,000 平方公里——一个泛月球区域，总体而言，它将是威尔士的两倍大。
海恩说：“新发现的微型冷阱是月球上数量最多的冷阱，比之前绘制的冷阱多出数千倍。”“如果它们都充满了冰，这可能是一个相当大的数量，可能超过十亿公斤的水。”
然而，海恩补充说，需要机器人或宇航员进行原位采样才能正确评估它们的实际冰含量。“微型冷阱真正令人兴奋之处在于它们更容易接近，这可以更有效地提取和利用，以实现科学和探索目的，”他说。海恩说，事实上，这种微小潜在冰库的扩散可能更容易为未来的任务所利用，因为它们存在于阳光充足的区域，宇航员可以舒适安全地使用工具伸入危险的寒冷阴影中，挖出任何冰。
目前，为了进一步判断微型冷阱的价值，海恩和他的同事将使用一种名为月球紧凑型红外成像系统的高科技相机，该相机最早将于 2022 年搭乘 NASA 商业月球有效载荷服务计划的首次南极着陆器任务前往月球。该相机将首次拍摄微型冷阱的特写照片，并测量它们的温度。
地面实况调查
一方面，SOFIA 和微型冷阱研究是可喜的消息。然而，伦敦大学伯贝克学院的月球专家伊恩·克劳福德说，大局仍然没有改变。
他清楚地表示，月球上越容易获得水，就越有可能就地提取和利用水来维持当前的探索工作。最终，将月球水作为资源开发可能会引发整个地外经济，在这种经济中，该物质将成为火箭燃料和其他珍贵消耗品的有利可图的原料。然而，克劳福德说：“目前，迫切需要‘地面实况’测量来证实基于遥感测量得出的推论。”
科罗拉多矿业学院太空资源中心主任安吉尔·阿布德-马德里德也指出，直接测量是继新发现之后最重要的下一步。“现在需要的是接触月球表面并收集详细的地面实况，”他说。“必须确认不仅存在水冰，而且还必须确认其形态、浓度、分布和丰度，才能继续进行现有的勘探和资源利用计划。”