一直以來，月球上有沒有水及其賦存方式等問題在學(xué)術(shù)界爭論不休，而與之相伴而來的，是人類一次又一次地踏上月球“尋水”的征程。
近日，來自美國的科學(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，進而為“月球有水”再添憑證。
一片空白
人們最早對于月球有水做出猜測，可以追溯到上世紀60年代初期。
1961年，美國科學(xué)家肯尼思·沃森等人首次提出“月球存在水冰”這一設(shè)想。他們認為，月球極地一些撞擊坑底部可能處于太陽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，就很可能會以水冰的形式長期保存下來。因此，沃森等人推測月球兩極的撞擊坑底部是月球上最有可能儲存水冰的地方。
在這些撞擊坑當中，最具代表性的當屬“躺”在月球南極、以英國南極探險家歐內(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)的陽光照射下，而坑的內(nèi)部卻是永久的陰影。
“在很長一段時間里，人們都在爭論沙克爾頓坑里到底有些什么。”位于美國休斯敦的月球和行星研究所高級研究員Paul Spudis表示。
的確如此。在“月球可能儲存著水冰”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)家試圖從多方面進行探索，但無論是繞月探測器、不載人的著陸探測器以及“阿波羅”載人登月的實地考察，還是對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，這段時期學(xué)界內(nèi)大多數(shù)科學(xué)家都認為，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。時間進入上世紀90年代后，月球“尋水”之路終于出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。
1994年年初，美國發(fā)射名為“克萊門汀號”的月球探測器，該探測器上搭載了一臺雙基地雷達，其可從繞月衛(wèi)星向月球表面發(fā)射電磁波信號，再根據(jù)回波信號來推斷月球表面物質(zhì)的相關(guān)信息。3個月之后，“克萊門汀號”不負眾望地傳回捷報：其雷達回波呈現(xiàn)出揮發(fā)性冰的特征。這也被認為是月球兩極存在水冰的第一個直接證據(jù)。
然而，發(fā)現(xiàn)人員還沒高興多久，爭議就隨之產(chǎn)生。有科學(xué)家提出質(zhì)疑，“克萊門汀號”上的雷達在極地觀測時采用82°~90°的大入射角，這本身就可能導(dǎo)致異�；夭ǎ淮送�，那些非水冰的低損耗物質(zhì)以及粗糙月表等，同樣也會引起回波異常。因此，“克萊門汀號”帶回的雷達探測結(jié)果既不能肯定水冰的存在，也無法確定水冰的準確儲量。
吸取了“克萊門汀號”的教訓(xùn)后，1998年1月，美國又發(fā)射了“月球勘探者”探測器。“月球勘探者”計劃對月球進行全面的探測，其中首要目標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，而是中子探測儀，其可以測量月球表面氫的含量。由于氫有可能是以水分子形式存在，所以氫信號的強弱可以間接反映水含量的多少。在1年的在軌服務(wù)探測中，探測結(jié)果顯示，在月球兩極地區(qū)存在豐富的氫，而且北極的氫信號比南極稍強，據(jù)此推測月球極區(qū)可能含有豐富的水冰。這一發(fā)現(xiàn)被認為使人類朝著實現(xiàn)移居月球并將月球用作火星探測發(fā)射基地的設(shè)想躍進了一大步。
雖然相對“克萊門汀號”的雷達探測，中子探測的爭議相對較小，但中子探測也有其狹隘性——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，又成為新的爭論焦點。
浮出水面
正所謂“工欲善其事，必先利其器”。近年來，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，美國布朗大學(xué)的阿爾貝托·薩爾研究團隊，利用二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)，對“阿波羅”樣品中約40顆月球火山玻璃的氫含量進行分析，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，美國衛(wèi)斯理大學(xué)教授詹姆斯·格林伍德及其團隊也在“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”地分析樣本與數(shù)據(jù)，人類還試圖通過“主動”地“撞月”來驗證水的存在。
2009年10月9日，月球勘測軌道器（LRO）與月球坑觀測和傳感衛(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分鐘時間探測撞擊濺射物，并把探測數(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，同LCROSS近紅外光譜儀在撞擊中獲得的光譜信號進行對比，發(fā)現(xiàn)只有月壤與水的混合光譜，與LCROSS獲得的光譜相似，進而證明凱布斯坑中確實有水存在。
2008年10月，印度“月船一號”探測器發(fā)射升空，在其攜帶的多套科學(xué)儀器中，包括一臺微型的合成孔徑雷達（Mini-SAR）。
根據(jù)2010年3月在休斯敦召開的第41屆月球與行星科學(xué)會議上公布的結(jié)果，微型雷達在月球北極發(fā)現(xiàn)了40多個大小不等的撞擊坑具有異常的回波特征。其中,約30個撞擊坑只有坑內(nèi)出現(xiàn)回波異常，坑環(huán)和外圍都沒有出現(xiàn)回波異常，推測是由于坑內(nèi)含有水冰引起的，這說明月球極區(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余個撞擊坑內(nèi)大約儲存著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，那么相當于2200年每天發(fā)射一個航天飛機。”作為這一項目研究人員之一的Spudis表示，“這還僅僅只是我們能夠看到的。我認為實際的水冰存儲體量至少要比現(xiàn)在估計的高一個量級。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。但問題是光譜儀同時也會測量熱度，因而白天月球表面的高溫，讓科學(xué)家無法獲得必要的數(shù)據(jù)來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《自然·地球科學(xué)》雜志剛剛出爐的研究報告中，來自美國布朗大學(xué)的研究人員正是利用這項技術(shù)，對印度“月船一號”月球礦物測繪儀的測量數(shù)據(jù)展開了新的分析，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)果帶來的“驚喜”還遠不止如此。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)部水的確切來源仍舊是個謎，但無論如何，這項發(fā)現(xiàn)都對未來探索月球意義重大。其不僅有可能為在月球上如何獲得水提出一個新的替代方案，日后對其的開發(fā)，也必將加速人類可持續(xù)開發(fā)宇宙的進程�！�