一直以來(lái)，月球上有沒(méi)有水及其賦存方式等問(wèn)題在學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論不休，而與之相伴而來(lái)的，是人類一次又一次地踏上月球“尋水”的征程。
近日，來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家們借助衛(wèi)星數(shù)據(jù),在分析月球上古代火山沉積物后得出了最新結(jié)論——月球內(nèi)部含有大量的水，進(jìn)而為“月球有水”再添憑證。
一片空白
人們最早對(duì)于月球有水做出猜測(cè)，可以追溯到上世紀(jì)60年代初期。
1961年，美國(guó)科學(xué)家肯尼思·沃森等人首次提出“月球存在水冰”這一設(shè)想。他們認(rèn)為，月球極地一些撞擊坑底部可能處于太陽(yáng)照射不到的永久陰影區(qū)，這些陰影區(qū)表層和次表層溫度常年維持在-223℃～-233℃。
在這樣的低溫條件下，原始月球脫氣作用產(chǎn)生的水，以及彗星撞擊月球攜帶至月表的水，就很可能會(huì)以水冰的形式長(zhǎng)期保存下來(lái)。因此，沃森等人推測(cè)月球兩極的撞擊坑底部是月球上最有可能儲(chǔ)存水冰的地方。
在這些撞擊坑當(dāng)中，最具代表性的當(dāng)屬“躺”在月球南極、以英國(guó)南極探險(xiǎn)家歐內(nèi)斯特·沙克爾頓的名字命名的沙克爾頓坑。沿著沙克爾頓坑的邊緣，山峰都暴露于持續(xù)的陽(yáng)光照射下，而坑的內(nèi)部卻是永久的陰影。
“在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們都在爭(zhēng)論沙克爾頓坑里到底有些什么。”位于美國(guó)休斯敦的月球和行星研究所高級(jí)研究員Paul Spudis表示。
的確如此。在“月球可能儲(chǔ)存著水冰”這一設(shè)想提出后的30多年里，其始終停留在理論階段。盡管不少科學(xué)家試圖從多方面進(jìn)行探索，但無(wú)論是繞月探測(cè)器、不載人的著陸探測(cè)器以及“阿波羅”載人登月的實(shí)地考察，還是對(duì)月球樣品和月球隕石的分析，都未能找到月球有水的確鑿證據(jù)。
也正因如此，這段時(shí)期學(xué)界內(nèi)大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為，月球表面不存在任何形式的水。
發(fā)現(xiàn)蹤跡
然而，在探尋宇宙的征程中，人類從不缺乏好奇心。時(shí)間進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，月球“尋水”之路終于出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。
1994年年初，美國(guó)發(fā)射名為“克萊門汀號(hào)”的月球探測(cè)器，該探測(cè)器上搭載了一臺(tái)雙基地雷達(dá)，其可從繞月衛(wèi)星向月球表面發(fā)射電磁波信號(hào)，再根據(jù)回波信號(hào)來(lái)推斷月球表面物質(zhì)的相關(guān)信息。3個(gè)月之后，“克萊門汀號(hào)”不負(fù)眾望地傳回捷報(bào)：其雷達(dá)回波呈現(xiàn)出揮發(fā)性冰的特征。這也被認(rèn)為是月球兩極存在水冰的第一個(gè)直接證據(jù)。
然而，發(fā)現(xiàn)人員還沒(méi)高興多久，爭(zhēng)議就隨之產(chǎn)生。有科學(xué)家提出質(zhì)疑，“克萊門汀號(hào)”上的雷達(dá)在極地觀測(cè)時(shí)采用82°~90°的大入射角，這本身就可能導(dǎo)致異常回波；此外，那些非水冰的低損耗物質(zhì)以及粗糙月表等，同樣也會(huì)引起回波異常。因此，“克萊門汀號(hào)”帶回的雷達(dá)探測(cè)結(jié)果既不能肯定水冰的存在，也無(wú)法確定水冰的準(zhǔn)確儲(chǔ)量。
吸取了“克萊門汀號(hào)”的教訓(xùn)后，1998年1月，美國(guó)又發(fā)射了“月球勘探者”探測(cè)器。“月球勘探者”計(jì)劃對(duì)月球進(jìn)行全面的探測(cè)，其中首要目標(biāo)就是尋找月球上是否存在水的證據(jù)。
這一次，“月球勘探者”搭載的并非雷達(dá)，而是中子探測(cè)儀，其可以測(cè)量月球表面氫的含量。由于氫有可能是以水分子形式存在，所以氫信號(hào)的強(qiáng)弱可以間接反映水含量的多少。在1年的在軌服務(wù)探測(cè)中，探測(cè)結(jié)果顯示，在月球兩極地區(qū)存在豐富的氫，而且北極的氫信號(hào)比南極稍強(qiáng)，據(jù)此推測(cè)月球極區(qū)可能含有豐富的水冰。這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為使人類朝著實(shí)現(xiàn)移居月球并將月球用作火星探測(cè)發(fā)射基地的設(shè)想躍進(jìn)了一大步。
雖然相對(duì)“克萊門汀號(hào)”的雷達(dá)探測(cè)，中子探測(cè)的爭(zhēng)議相對(duì)較小，但中子探測(cè)也有其狹隘性——其反映的只是月球兩極永久陰影區(qū)存在大量氫，而至于這些氫究竟以何種形式存在，又成為新的爭(zhēng)論焦點(diǎn)。
浮出水面
正所謂“工欲善其事，必先利其器”。近年來(lái)，隨著科學(xué)儀器的靈敏度和分析精度的顯著提高，原本一些隱藏的線索也相繼浮出水面。
2008年發(fā)表在《自然》雜志上的一篇研究顯示，美國(guó)布朗大學(xué)的阿爾貝托·薩爾研究團(tuán)隊(duì)，利用二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)，對(duì)“阿波羅”樣品中約40顆月球火山玻璃的氫含量進(jìn)行分析，分析結(jié)果與地球地幔樣品中氫和水的分析結(jié)果相似，從而證明月球內(nèi)部可能與地球的地幔一樣存在大量的水。
之后，美國(guó)衛(wèi)斯理大學(xué)教授詹姆斯·格林伍德及其團(tuán)隊(duì)也在“阿波羅”月球巖石樣品中發(fā)現(xiàn)了微量水，最高含量可能有千分之幾。
除了“被動(dòng)”地分析樣本與數(shù)據(jù)，人類還試圖通過(guò)“主動(dòng)”地“撞月”來(lái)驗(yàn)證水的存在。
2009年10月9日，月球勘測(cè)軌道器（LRO）與月球坑觀測(cè)和傳感衛(wèi)星（LCROSS）一同發(fā)射升空，其中后者由牧羊航天器和半人馬座火箭兩部分組成。在這次“撞月”計(jì)劃中，約2.2噸重的半人馬座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞擊月球南極的凱布斯坑，隨后，牧羊航天器上的科學(xué)儀器有4分鐘時(shí)間探測(cè)撞擊濺射物，并把探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面控制中心。
之后，科學(xué)家們用水和其它物質(zhì)已知的近紅外光譜信號(hào)，同LCROSS近紅外光譜儀在撞擊中獲得的光譜信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只有月壤與水的混合光譜，與LCROSS獲得的光譜相似，進(jìn)而證明凱布斯坑中確實(shí)有水存在。
2008年10月，印度“月船一號(hào)”探測(cè)器發(fā)射升空，在其攜帶的多套科學(xué)儀器中，包括一臺(tái)微型的合成孔徑雷達(dá)（Mini-SAR）。
根據(jù)2010年3月在休斯敦召開(kāi)的第41屆月球與行星科學(xué)會(huì)議上公布的結(jié)果，微型雷達(dá)在月球北極發(fā)現(xiàn)了40多個(gè)大小不等的撞擊坑具有異常的回波特征。其中,約30個(gè)撞擊坑只有坑內(nèi)出現(xiàn)回波異常，坑環(huán)和外圍都沒(méi)有出現(xiàn)回波異常，推測(cè)是由于坑內(nèi)含有水冰引起的，這說(shuō)明月球極區(qū)的這些撞擊坑內(nèi)很可能存在水冰。
據(jù)初步估算，月球北極的30余個(gè)撞擊坑內(nèi)大約儲(chǔ)存著6億噸水冰。“如果將這些水冰轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫和液態(tài)氧用于火箭發(fā)射，那么相當(dāng)于2200年每天發(fā)射一個(gè)航天飛機(jī)。”作為這一項(xiàng)目研究人員之一的Spudis表示，“這還僅僅只是我們能夠看到的。我認(rèn)為實(shí)際的水冰存儲(chǔ)體量至少要比現(xiàn)在估計(jì)的高一個(gè)量級(jí)。那里有很多的水，我們能夠利用它發(fā)展航天設(shè)施，這才是真正的意義所在。”
最新證據(jù)
通過(guò)研究月球反彈和吸收的光線，就能判斷出月球表面含有哪些元素或混合物。但問(wèn)題是光譜儀同時(shí)也會(huì)測(cè)量熱度，因而白天月球表面的高溫，讓科學(xué)家無(wú)法獲得必要的數(shù)據(jù)來(lái)解讀月球是否含有水分。
為此，研究人員將目光聚焦于月球樣本的測(cè)量數(shù)據(jù)上：這些數(shù)據(jù)結(jié)合月球特定地區(qū)的詳細(xì)溫度和地圖數(shù)據(jù)，讓研究人員得以從光譜儀數(shù)據(jù)中移除熱量數(shù)據(jù)。
在英國(guó)《自然·地球科學(xué)》雜志剛剛出爐的研究報(bào)告中，來(lái)自美國(guó)布朗大學(xué)的研究人員正是利用這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)印度“月船一號(hào)”月球礦物測(cè)繪儀的測(cè)量數(shù)據(jù)展開(kāi)了新的分析，研究了月球上的火山碎屑沉積物，發(fā)現(xiàn)在這些火山沉積物里含有“異常高含量的水”。
研究結(jié)果帶來(lái)的“驚喜”還遠(yuǎn)不止如此。研究人員幾乎在被研究的月球區(qū)域里火山噴發(fā)造成的每一個(gè)沉淀物中，都發(fā)現(xiàn)了其含有水的證據(jù)。
“關(guān)鍵是，這些富含水分的沉淀物的分布十分廣泛。”本研究的第一作者、布朗大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Ralph Milliken在文章中表示，“它們遍布月球表面，這告訴我們，在‘阿波羅’任務(wù)樣本中發(fā)現(xiàn)水分并不是一次性事件。”
雖然月球內(nèi)部水的確切來(lái)源仍舊是個(gè)謎，但無(wú)論如何，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都對(duì)未來(lái)探索月球意義重大。其不僅有可能為在月球上如何獲得水提出一個(gè)新的替代方案，日后對(duì)其的開(kāi)發(fā)，也必將加速人類可持續(xù)開(kāi)發(fā)宇宙的進(jìn)程。■