潮湿的土壤:盘点人类探月的“水情结”

2020年11月05日
近日,据美国国家航空航天局(NASA)官网介绍,索菲亚平流层红外天文台(SOFIA)首次证实,受到阳光照射的月球表面有水存在。这也意味着,水可能不仅在寒冷阴暗的地方分布,也可能分布在月球表面。
索菲亚平流层红外天文台(SOFIA)首次证实,受到阳光照射的月球表面有水存在
最近几年是人类探月的丰收年。因为在这几年里,来自多方的研究和探索都证实了月球是一个有水的星球,这是科学家们殷切期待的结果,也是现代天文学的一项重大成果。几十年来,科学家们一直期盼在月球上找到水,“找水”成了人类探月的挥之不去的"情结”。
“冰茶理论”
“现在的月亮已不同于我们父辈时期的月亮了,它不再是死寂和和无变化的,而是一个非常活跃和有趣的世界。”美国加利福尼亚大学的天文学家格雷格·德洛瑞(GregDelory)这样说。对于德洛瑞这样的天文学家来说,月亮的确很不一样了,因为在他们的眼里,月亮已成为了一个潮湿的世界。
然而在伽利略把望远镜指向月亮以前,月亮在人们的眼里是更加“活跃和有趣”的,人们把月亮上的暗区称为“maria", 在拉丁语中,“maria”就是海洋的意思,所以在17世纪以前的人看来,月亮是一个充满了液态水的地方。这个梦幻似的观点是被望远镜给无情毁灭的,人们在望远镜中看到了点缀在“maria”中的陨石坑,这才知道月亮上的“海洋”其实并不存在,不过我们今天依然把月亮上的大片暗区称为“月海”。
月球正面(左图)比背面(右图)有更多暗色月海
(供图/侯军)
从那时开始,月亮很干燥的观点一直延续了下来。1969年,“阿波罗11号”的两名宇航员着陆在了一片“月海”中,他们看到的“月海”是一片干燥的由火山熔岩构成的平原,而科学家们在研究了“阿波罗计划”带回的月岩和月壤样本后也宣布说月球是干燥的。依照他们的形容,那些样本“像骨头一样干燥”,然而事实上,骨头比那些样本“潮湿”得多,因为活体生物的骨头是含有不少水分的,其重量大约占总重量的10%。
20世纪70年代,加利福尼亚大学的詹姆斯·阿诺德(James Arnold)建议在月极附近找水,那里是阿波罗计划没有到达的地区,且终年难见阳光。阿诺德指出,月极附近较深的陨石坑里不会有阳光照进去,这样的陨石坑能起到收集水和其他易挥发物质的作用,可称之为“冷井"(cold traps)。
 
美国田纳西大学的月岩专家拉里·泰勒(Larry Taylor)将“冷井”比喻为一杯夏天的冰茶,他说,“假若你仔细观察夏天的冰茶,你便能看到这杯冰茶如何收集空气中的水分,并凝结成水滴,‘冷井’就起了那样的作用。”
这种“冰茶理论”最终得到实践的机会是1994年,那年的1月25日,美国发射了“克莱门汀”(Clementine)月球探测器。
“克莱门汀”(Clementine)月球探测器 图片来源/网络
2月6日,“克莱门汀"开始绕月飞行,在这个过程中,它对月球拍照,从事勘测活动,其中一项实验是向月球南极附近的一处陨石坑发射无线电波,这些电波发射后被地球上的天线接收,科学家分析了那些电波后发现,反射波似乎来自于含水冰的物质,不过这并不能证实陨石坑里真的有水,因为粗糙的表面也能产生那样的反射波。
又过了4年,另一艘月球探测器“月球勘测者号”(lunar prospector)使用中子光谱仪探测到月球南北极的陨击坑里含有丰富的氢。科学家认为,那些氢来自于陨击上中丰富的水,他们由此估计,月球上可能有1000万~60亿吨水。为了证明月球上水的存在,科学家最后让“月球勘测者号"撞击月球南极,他们估计撞击会在月球表面释放40磅水蒸气,这样一来,光谱仪就能够测出水分的存在了,然而预想的结果并没有在撞击后出现。
凯布斯陨石坑
进行过类似尝试的还有欧洲空间局的“智慧一号"(SMART-1),这枚探测器于2006年也企图通过撞月侦测月球上的水冰信号,结果也失败了。科学家认为,这两次失败有三种可能,要么是月球上根本就没有水;要么撞击点不理想,因而没有产生理想的结果;还有一种可能是探测器太小,撞击产生的水蒸气太少,所以不足以让仪器侦测到。
“潮湿"的月壤
转机出现于2008年,这一年10月,“月球一号"(Chandrayaan-l)发射升空,它的上面装配有一部由美国航空航天局提供的仪器——“月球矿物学绘图仪”(MoonMineralogy Mapper),这种仪器能使科学家们在它获取的数据中准确地发现探测目标所拥有的化学成分。很快,“月球矿物学绘图仪”通过探测月球表面反射光的光线波长显示了月球上有水分子和氢氧基存在的迹象,它侦测到反射的光波中缺少红外线波长,表明这段光线被水分子吸收了。
开始的时候,科学家们并不相信这样的结果, 但很快,他们在其他地方找到了更多的证据。1999年,土星探测器“卡西尼号”在前往土星时途经月球,它上面的成像分光计也探测过月球。经过一番讨论,科学家们一致认为,“卡西尼号”上的成像分光计也发现过月球上微弱的水和氢氧基分子存在的信号。
与此同时,正在执行太空任务的“深度撞击号”(Deep Impact)也为科学家们带来了月球有水的新证据,因为这枚探测器同样携带了一架成像分光计,它原本的任务是于2010年11月4日飞越哈特利2号彗星(103P/Hartley2),但在前往目标的途中,科学家们让它数次近距离地接近了地月系统,在这个过程中,“深度撞击号”也探测到了月球表面存在着水分子和氢氧分子的信号,它还发现,这种信号在月球的极区最为强烈,并且显示整个月球表面都是含水层
不过这枚探测器也同时发现,水分子和氢氧分子的信号似乎在月球的“正午”消失了,只有在“日落"和“日升”的时候才会出现,人们称之为“露珠”现象。为什么会这样呢?科学家解释说,这是由于月壤中的水分子极少的缘故。
事实上,月壤中的含水量比地球上最干燥的沙漠还要少。2009年9月25日,科学家们终于在新出版的《科学》杂志上发表文章说,根据来自“月球一号”“卡西尼号”和“深度撞击号”的探测数据,他们已证实月球是一个有水的世界。
研究表明,这次探测到的月球水是隐藏在月壤里的。月面由岩石和风化层构成,其中大量成分是氧。在月球上,太阳风无时无刻地撞击着月面,并与岩石和土壤发生交互作用。太阳风是太阳喷射出的带电粒子流,它主要由质子或带正电荷的氢原子组成
科学家推测,当这些带电的氢原子以1/3光速冲击月球表面时,它们会分解月壤矿物质中的氧价分子,一旦有了游离状态的氧分子和氢分子,水分子就很容易形成了。探测表明,月球表面每立方米的土壤中大约含有一升水,它们存在于月壤最上层很薄的范围内。探测还显示,在月球寒冷的两极处,水的含量更丰富一些,这表明水在月壤中形成后似乎会逐渐向温度较低的地区移动
太阳风中氢原子分解了月壤中的氧分子
此前,科学家们一直认为,如果月球上真的存在水,那些水只会存在于极地的永久阴影区里,月球的其他区域应该是完全干燥的。现在,新的发现表明事实并非如此,水也可以存在于月壤中,这是人类月球找水的重大突破。
来源:知识就是力量公众号