月球表面的水

同温层红外线天文台装载在一架被改装过的波音747SP飞机上（摄于2019年9月）

在猜测怀疑的基础之上，通过多年来一步步的探测，逐渐积累证据，改进探测方式，人类终于取得了决定性的证据，在月球被太阳照射的一面发现了水的痕迹。这一发现意义重大，因此迅速引起了全世界的关注。

2020年10月26日，来自美国航空航天局（NASA）的博士后研究员凯西·汉尼巴尔（Casey Honniball）与合作者共同在《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志上发表论文《同温层红外线天文台在被阳光照射的月球表面探测到分子水》（Molecular Water Detected on the Sunlit Moon by SOFIA），报告他们找到了月球被太阳照射一面存在水的切实证据。

之前人们已经了解，在月球背对太阳一面的阴影部分有冰存在。但是在朝向太阳的一面，人们曾经认为其暴露在真空中的土壤是完全干燥的，没有水存在。后来，月球土壤中也存在水的痕迹开始逐渐显现，但是始终缺少切实的证据。1969年，阿波罗计划的宇航员们首次从月球表面带回岩石样本。虽然月球岩石样本显示了可能有水存在的迹象，但当时人们认为这是因为样本受到了地球环境的污染，月球表面应该是完全干燥的。

同样在1969年，科学家利用高空气球对月球表面进行红外线探测时，也曾探测到水存在的证据，但是在乔治·亨特（Geroge Hunt）和约翰·索尔兹伯里（John Salisbury）于1969年共同发表的论文《关于对月球进行红外光谱观测的红外天文学讨论》（A Discussion on Infared Astronomy-Mid-Infrared Spectroscopic Observations of the Moon）中，并没有提到水的问题，只是提到了月球表面的矿物构成。

在随后为探测月球而进行的环绕和撞击任务中，人们发现月球被阴影覆盖的一些环形山区域有冰存在。在另外的探测计划中，人们发现在月球被太阳照射的区域，有某种形式的氢元素化合物存在，但是始终无法确定这种化合物是水。

从2018年起，科学家开始尝试利用美国航空航天局（NASA）与德国航空太空中心（German Aerospace Center）的合作项目——同温层红外线天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，简称SOFIA）对月球表面进行红外线探测，寻找其土壤中存在水的证据。想要发现月球表面存在水的证据，首先需要避开地球大气中水蒸气的干扰。同温层红外线天文台装载在一架被改装过的波音747SP飞机上，主要通过一个直径约2.5米的望远镜对宇宙中遥远且暗淡的天体，例如黑洞、星团和遥远的星系进行探测。它飞行在1.2万～1.5万米的高度，在平流层进行红外线探测，可以避开大气层中99%的水蒸气，也就成为了寻找月球水资源的最佳工具。

同温层红外线天文台在月球表面最大的环形山之一、位于南半球的克拉维斯环形山（Clavius Crater）区域进行红外线探测，发现有物质在阳光的照射下释放出波长6.1微米的红外线信号——科学家相信，只有水分子才会释放出这种标志性的红外线信号。这成为了月球被太阳照射的一面存在水的关键证据。经过探测，在这个区域每立方米土壤中大约含有340毫升的水，这个发现不仅改变了人类对月球土壤的认知，也可能为人类未来的月球和深空探测提供全新的思路。

人们首先想到的问题是，月球土壤中的水究竟从何而来，又是如何被保存在没有大气层保护、暴露在真空环境的月球土壤中？科学家推测，月球土壤中的水可能有多个来源：含有少量水的微陨石落在月球的表面，这些水可能就此被储存在土壤中；在太阳风中含有大量的氢元素，这些物质在到达月球后与其含氧的矿物发生相互作用，可能产生水；来自微陨石的轰击也可能把月球土壤中的羟基化合物转化为水。

月球土壤中的水资源没有迅速耗散到宇宙空间中，说明是以某种形式被固定在了土壤中。人们怀疑，在微陨石的轰击下，水资源可能在土壤中以“玻璃珠”的形式被封存起来，因而没有被蒸发掉；还有一种可能就是它们躲藏在月球土壤的颗粒之间，因而没有因为被阳光照射而消失。

NASA的阿尔忒弥斯计划（Artemis Program）准备在2024年送宇航员回到月球，并于本世纪末在月球建立永久基地。此时在月球土壤中发现水资源意义重大。在宇航员重返月球之前，NASA还将对月球进行一系列的探测活动，一些有关月球水资源的问题需要被解答。人类需要绘制出一幅月球土壤中水资源的分布地图，还需要详细了解月球土壤中水的存储方式——这对于未来把月球作为深空探测的基地有重要意义。

在太空旅行中，水是一种极其宝贵的资源。一方面它可以供人饮用，另一方面它还可以被分解为氢气和氧气。月球土壤中的水如果能够被人类开采和利用，将给未来的太空旅行带来极大便利——关键在于，其总含量究竟有多少，开采月球水又需要花费怎样的代价？这与月球土壤中水的分布情况和存储方式直接相关。

月球是距离地球最近的天体。未来将会有更多的探月任务，人类对月球的理解也将越来越详细。月球独特的环境和丰富的资源，使它可以成为人类探索宇宙的一个重要中转站。水，将是其中的一个关键因素。

（本文写作参考了美国航空航天局网站及《自然》《科学美国人》杂志的相关报道） 水红外线科学天文航空航天月球