《自然·天文》：這一次，我們在月球的光照區發現了水分子_風聞
行星事务所-行星事务所官方账号-2020-11-02 20:22
幾天前的10月22日，NASA放出了一則“媒體告知”，表示“我們又有大新聞了”。至於是啥大新聞？會賣關子的NASA當然不會明説，只是表示這個新發現“和月球有關”，“和NASA的索菲亞（SOFIA）天文台有關”，“來聽我們的新聞發佈會吧！”[1]
NASA的“大新聞預告” | NASA [1]
然鵝，吃瓜羣眾並不會“坐以待瓜”，而是迅速就這些線索展開了推理。
首先，這個索菲亞天文台能幹啥是確定的。
這個由NASA和德宇航（DLR）共同主持的索菲亞天文台，全稱“平流層紅外探測天文台”（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，縮寫SOFIA），也被稱作“飛行中的天文台”。簡單來説，這就是一個在改裝的波音747SP上架設的2.5米口徑反射望遠鏡，日常飛行在12-14公里高空的地球平流層中，開展紅外波段探測。
索菲亞天文台 | NASA/Jim Ross
所以…是紅外波段在月球上發現了啥？按照“大新聞”的規格，大概率是水、有機物或者生命這種咯？
再仔細看下NASA公佈的發佈會參會名單，本着“一眾領導裏的博後才是幹活的”這一常見現象，看來這位現任NASA哥達德空間飛行中心博士後的Casey Honniball多半是這個發現的一作了。
NASA的“大新聞預告”中公佈的發佈會參會名單 | NASA [1]
有了這幾個關鍵詞，吃瓜羣眾們迅速定位到了今年3月月球與行星科學大會（LPSC）的一篇摘要——《月表光照處的分子水：索菲亞機載天文台探測到6微米H2O》。
來源：參考文獻 [2]
基本破案了。
果然，北京時間今天（10月27日）凌晨，《自然·天文》雜誌上線了以Casey Honniball為第一作者的論文：《索菲亞天文台在月球光照區發現了分子水》[3]。
果然是，有 摸魚的 吃瓜羣眾在，一切都沒有一絲絲意外 | 參考文獻 [3]
這並不是月球上首次發現水。
但這一次，不再是氫原子，不再是被“困”在水合物中的羥基，不再是永遠不被陽光直射到的嚴寒陰影區。
這一次，行星科學家們真的在月表光照區發現了水分子。
無水月球
地球這顆“藍色彈珠”，是太陽系中唯一一個水之星球，正是這些覆蓋在地表上的珍貴的液態水，幫助地球孕育出了生命。但與地球相隔僅38萬公里的月球，卻完全是另一番光景——這裏一片荒蕪，寸草不生。
地球和月球的對照，大小沒有按比例 | 維基
**月球上有沒有水？幾十年前的人們普遍認為是沒有的。**月球幾乎沒有大氣層和磁場，重力又那麼小，日間温度還很高，而且那時候的人們也沒有在月球表面觀測到任何形式的水的跡象，即使阿波羅登月任務帶回的月球岩石樣本中檢測到的少量的水，早期也被認為很可能是受到了地球大氣的污染的結果[4]。
但隨着更先進的月球探測器相繼問世，這一觀念在近些年發生了飛速變化。
永久陰影區裏的水冰
行星科學家們在月球上的尋水之路和一直和月球南北極緊密相連。
畢竟，相比於有陽光直射的赤道和中高緯區域，光照最少、温度最低的月球南北兩極顯然更可能保存水****。
尤其是月球南北兩極的永久陰影區（Permanently shaded regions，簡稱PSRs）裏，甚至可能封存着固態的水（水冰）。
由於月球的自轉軸幾乎垂直於黃道面（自轉軸傾角只有1.5°），導致南北極一些低窪的地方（比如撞擊坑底部）永遠不能被太陽光直射到，因此這些地方的理論温度甚至可以低於零下150攝氏度。
（左）月球南極的最高温度分佈（南緯85°-極點），可以看到許多撞擊坑內部的最高温度也在110 K以下；（右）月球南極的永久陰影區（黑色）分佈（南緯80°-極點） | LPI Atlas [5]
如果這些陰影區裏原先就有水冰存在，就會一直保存下來，或者氣態形式的水來到了到這些陰影區中時，也會以水冰的形式被永久地封存住。
**如何找到這些水？**常見的手段是一種叫做“光譜”的遙感探測。不同物質反射/輻射光的特徵是不同的，結果就是含有某種物質的反射/輻射光譜圖像在某些特定的波段會表現出明顯的吸收/輻射帶。這是科學家們在不能親身前往的外太空裏尋找某種物質時搜尋的“指紋”。
例如，水冰的反射光譜在可見光到近紅外波段範圍內（0.4-3 μm）有三個顯著的V型特徵吸收帶，分別在1.3、1.5和2.0 μm處，行星科學家們主要通過這個特徵來尋找外星上的水冰。（詳見：《科學》雜誌||未來的火星移民：鑿冰飲水，指日可待？）
火星上富含水冰的區域展現出的相似的光譜特徵（1.65 μm處的尖峯是儀器問題，不用管）| 改編自：參考文獻 [6]
2018年，夏威夷大學的李帥團隊利用印度月船1號（Chandrayaan-1）探測器搭載的月球礦物繪圖儀（簡稱M3，以及，這個儀器是NASA的）光譜數據，在南北緯70°以上的永久陰影區中發現了多處****暴露在地表的水冰。這也是科學家們首次在月球發現水冰存在的直接證據[7]。（18年的老讀者們對這個研究可能還有印象，詳見：實錘了，我們的月球真的是顆“水冰月”！）
（左）月球南北極區含有水冰的位置（天藍色點），底圖的灰度代表表面温度，顏色越深就越冷；（右）三處含有水冰區域的反射光譜示例（虛線是實際觀測值，實線是平滑後的結果）| 參考文獻 [7]
那，那些可以被陽光照射到的，温度更高的區域裏呢？
永久陰影區之外的羥基（OH）
在月球南北極的永久陰影區之外還有水嗎？也有，但和我們想象中的很有那麼點不一樣。
因為，明確探測到“完整”的分子水（H2O）太困難了，科學家們只能一點一點先嚐試探測H2O的“零部件”。
首先得到確認的“零部件”是氫（H）。
1998年發射的NASA月球探勘者號（Lunar Prospector）探測器搭載了一台中子光譜儀，它在在月球南北極探測到了氫元素的富集[8]。這可能是水麼？完全可能。但這也同樣可能是任何含有氫的物質，我們無法判斷到底是哪一種。
月球探勘者號的中子光譜儀測量的月球極區超熱中子量分佈，越藍表示越低（氫越多），越紅表示越高（氫越少）。因為超熱中子被氫原子慢化的效率最高，所以觀測到的超熱中子量越低就代表氫的富集度越高 | 參考文獻 [9]
進一步得到確認的“零部件”是羥基（OH）。
2009年，印度月船1號、NASA的深度撞擊號和卡西尼號三個不同的探測器，在同一年發現了月球全球分佈、南北極富集的羥基/H2O****[4, 10, 11]。但遺憾的是，這幾個探測器的光譜儀大多波段在可見光到近紅外的範圍（0.4-3 μm），只能通過2.8-3.0 μm波段的反射光譜吸收帶判斷存在羥基或者含水礦物形式的水，具體是哪種****我們無法判斷，但通常更傾向於是羥基形式的水。
（左）月船1號的M3探測的月球極區羥基的富集（越藍表示越富集）| NASA（右）羥基（OH）、水和水冰在3 μm（3000 nm）附近有不同波段有不同的吸收特徵，但月船1號的M3剛好沒能完整覆蓋這個區域，只能判斷有羥基和可能的分子水 | 參考文獻 [4]
當然，找到羥基也很不錯了，行星科學家們四捨五入也把羥基視作一種形式的水。嗯，是蓋章認證過的月球水。
但畢竟，我們還是希望能清楚判斷這到底是不是“完整”的H2O水，希望能找到比羥基更“正經”的水的。
從可見光到紅外
那有沒有其他可以明確區分羥基和分子水的特徵呢？把波長放長一點，到紅外波段的話，可以有。
電磁波各波段。過去的深空探測器主要以可見光和近紅外波段為主來探測水 | 維基
分子水的輻射光譜在6 μm波段有個獨特的輻射帶，這是羥基完全沒有的特徵。
2018年8月，當時還在夏威夷大學攻讀博士學位的Casey Honniball及其合作者們（包括我們熟悉的Paul Lucey，李帥）用索菲亞天文台FORCAST紅外望遠鏡對月球正面光照區進行了觀測。FORCAST望遠鏡的觀測波段覆蓋5-8 μm，非常適合用來尋找6 μm波段有沒有分子水。事實上，這也是原本用於觀測黑洞、星團和星系的索菲亞天文台首次用於觀測月球。
然後，她（他）們真的找到了！
南半球高緯度的水分子
Casey Honniball及其合作者們選擇了月球南半球高緯度的**克拉維斯（Clavius）撞擊坑一帶（緯度：55-75°S）**作為搜尋目標。月船1號的M3光譜儀曾在這裏發現過3μm波段的羥基富集，因此作者們推測這裏也有可能存在分子水。
她（他）們還選擇了位於赤道的澄海部分區域****（緯度：17-28°N）作為對照組一起觀測，這裏温度更高，表面礦物也不同，是個和克拉維斯撞擊坑差異很大的區域。
結果非常理想。克拉維斯撞擊坑一帶的輻射光譜裏確實發現了6 μm波段的輻射帶，而澄海對照組就沒有，説明前者確實存在水分子。
（左）索菲亞天文台的兩個觀測區域：克拉維斯（Clavius）撞擊坑一帶和澄海一帶（對照組）；（右）克拉維斯撞擊坑一帶觀測到的6 μm輻射帶示例 | 參考文獻[3]
不過，水分子真的不多。據這次觀測數據推算，克拉維斯撞擊坑一帶的水分子含量在100-400 ppm（1 ppm = 100萬分之一），總量不足撒哈拉沙漠水量的百分之一[12]。
什麼樣的水分子？
分子形式的水，也可以有很多形態。克拉維斯（Clavius）撞擊坑一帶發現的是那種？作者表示，這是一個被很多記者問到的問題。
固、液、氣態水分子 | University of Waikato
這是一片會被太陽照射到的區域，最高温度可以達到七八十攝氏度，所以這次發現的水分子不可能是水冰形式，但也不是液態水那樣通常大眾所感知的流動的形式。這樣的水分子想要安然躲過月面的紫外分解和高温倖存下來，大概率是需要**“躲藏”在月面物質顆粒的內部或者顆粒物的空隙之間的**。當然，這只是一種物理上的“困”住，不同於羥基與月表物質化學上的綁定。
“困”在月表顆粒中的分子水示意圖 | NASA/Daniel Rutter [12]
Casey Honniball及其合作者們認為，最可能的情況是這些水分子被**“困”**在月壤中的撞擊玻璃（impact glass）中，這是一種微隕石撞擊產生的高温作用下形成的玻璃質物質。
阿波羅樣品中的“花環”狀撞擊玻璃，是微隕石撞擊熔融月壤的產物。（左） 掃描電鏡（SEM）二次電子圖像 ；（右）X射線圖像 | Lehigh University [13]
月壤中撞擊玻璃的質量佔比大約在30-70%之間，剩下的是岩石和礦物的碎塊。取下限30%的話，就意味着如果這些水分子真的是撞擊玻璃中的水，那麼相當於克拉維斯撞擊坑一帶月壤的撞擊玻璃中含水量可以高達300-1300 ppm（平均700 ppm）——大約是從月球赤道一帶採回的阿波羅月壤中撞擊玻璃水含量的5倍。
都是撞擊惹的水？
這些水分子是怎麼來的？可能的原因有很多。作者尤其介紹了其中兩種：1）撞擊引起的；2）撞擊帶來的。
撞擊帶來的水很好理解，太空中飛來的小天體（撞擊體）裏原本就水分子，它們隨着撞擊來到了月球表面，從此安家月球。
而撞擊引起的水就燒腦一些，需要兩個步驟來完成 [14-17]：1）氫氧形成羥基：月球表面原本有無水的硅酸鹽，然後太陽風注入月壤，帶來的高能氫離子可以破壞硅氧鍵，與氧結合形成羥基；2）羥基形成水：微隕石的撞擊產生的熱能又進一步把羥基轉變為水分子。
不再是“沙漠”的月球
然而必須認識到的是，本次觀測到的水分子只是索菲亞天文台在某個時間段裏月面一小塊區域內發現的“一鱗半爪”，而且含量非常低，因此這一結果並不能證明月表的光照區可以廣泛而穩定地存在水分子。
但它證實了一種可能性，那就是在月球終年嚴寒的永久陰影區之外，在最高温度高達七八十攝氏度的月球光照區，水分子依然有存在的可能。
今年底，我國的嫦娥五號任務將前往月球，帶回月球正面的岩石和土壤樣品；2024年，NASA的阿爾忒彌斯計劃將再次把人類送上月球；在不算遙遠的將來，各國還計劃在月球南極建立長期的月球科研基地…
而月球水分子的發現，無疑為人類重啓的載人登月計劃將來和建立長期的月球基地帶來了新的水資源希望。
“沙漠”月球已成過去，如今的月球，不僅是“水冰月”，還有更多可能尚未發掘的水資源，接下來對更多月面光照區的後續觀測則有望給出更全面的月表水分子分佈信息。
拓展閲讀
月球水冰：實錘了，我們的月球真的是顆“水冰月”！
火星水冰：《科學》雜誌||未來的火星移民：鑿冰飲水，指日可待？
火星水：這一次，我們在火星找到了冰下湖？
土衞六湖海：
致謝
本文感謝Xiaojia Zeng、Yunhua Wu、Jiang Wang等Planetary Utopia羣小夥伴們的建議和討論~
[1] NASA to Announce New Science Results About Moon
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-announce-new-science-results-about-moon
[2] Honniball, C. I., Lucey, P. G., Li, S., Shenoy, S., Orlando, T. M., Hibbitts, C. A., … & Farrell, W. M. (2020). Molecular Water on the Illuminated Lunar Surface: Detection of the 6 µm HOH Fundamental with the SOFIA Airborne Observatory. LPI, (2326), 1422.
[3] Honniball, C.I., Lucey, P.G., Li, S. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-01222-x
[4] Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., … & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.
[5] https://www.lpi.usra.edu/lunar/lunar-south-pole-atlas/
[6] Dundas, C. M., Bramson, A. M., Ojha, L., Wray, J. J., Mellon, M. T., Byrne, S., … & Clark, E. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199-201.
[7] Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., … & Elphic, R. C. (2018). Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(36), 8907-8912.
[8] Feldman, W. C., Maurice, S., Binder, A. B., Barraclough, B. L., Elphic, R. C., & Lawrence, D. J. (1998). Fluxes of fast and epithermal neutrons from Lunar Prospector: Evidence for water ice at the lunar poles. Science, 281(5382), 1496-1500.
[9]Lawrence, D. J. (2017). A tale of two poles: Toward understanding the presence, distribution, and origin of volatiles at the polar regions of the Moon and Mercury. Journal of Geophysical Research: Planets, 122(1), 21-52.
[10]Sunshine, J. M., Farnham, T. L., Feaga, L. M., Groussin, O., Merlin, F., Milliken, R. E., & A’Hearn, M. F. (2009). Temporal and spatial variability of lunar hydration as observed by the Deep Impact spacecraft. Science, 326(5952), 565-568.
[11] Clark, R. N. (2009). Detection of adsorbed water and hydroxyl on the Moon. Science, 326(5952), 562-564.
[12] NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-sofia-discovers-water-on-sunlit-surface-of-moon/
[13] https://www.lehigh.edu/~inmndust/photographs.html
[14] Liu, Y., Guan, Y., Zhang, Y., Rossman, G. R., Eiler, J. M., & Taylor, L. A. (2012). Direct measurement of hydroxyl in the lunar regolith and the origin of lunar surface water. Nature Geoscience, 5(11), 779-782.
[15] Jones, B. M., Aleksandrov, A., Hibbitts, K., Dyar, M. D., & Orlando, T. M. (2018). Solar wind‐induced water cycle on the Moon. Geophysical Research Letters, 45(20), 10-959.
[16] Daly, R. T., & Schultz, P. H. (2018). The delivery of water by impacts from planetary accretion to present. Science advances, 4(4), eaar2632.
[17] Zhu, C., Crandall, P. B., Gillis-Davis, J. J., Ishii, H. A., Bradley, J. P., Corley, L. M., & Kaiser, R. I. (2019). Untangling the formation and liberation of water in the lunar regolith. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(23), 11165-11170.
出品：科普中國
製作：haibaraemily
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
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