月球上有水嗎？嫦娥五號有重大新發現

月球上有水嗎？來自嫦娥五號探測數據的最新研究顯示，1噸月壤中大概約有120克“水”。

北京時間1月8日，由中科院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）行星科學團隊與多家科研機構合作完成的研究論文在《科學-進展》上發表。這項研究利用嫦娥五號所攜帶“月球礦物光譜分析儀”探測的數據，首次獲得了月表原位條件下的水含量。

需要解釋的是，科學家研究的“水”並不是我們喝的“水”。“光譜儀所探測到的‘水’指礦物裏的水分子或者羥基，在一定條件下才能轉化為我們喝的水。”該論文一作、中科院地質地球所副研究員林紅磊告訴《中國科學報》。

半個世紀的爭論

仰望星空，“月球上到底有沒有水”的問題引發人類極大的好奇心，關於這個問題的科學爭論已持續半個多世紀。早在1952年，氘的發現者、美國化學家哈羅德·尤里（Harold Urey）大膽猜測月球上太陽永遠無法照射到的窪地中可能存在像水一樣的揮發性物質。

1969年至1972年，美國“阿波羅”計劃給了宇航員“眼見為實”的機會。遺憾的是，在實驗室裏測量他們帶回來的樣品發現月壤很乾，留在月球表面探測大氣的儀器也並沒有探測到水汽。從此，“月球是乾的”幾乎成為人們的共識。

林紅磊介紹，即使是1978年蘇聯科學家在“月球24號”（Luna 24）任務採集的樣品中測量到了微量水，仍然沒有引起科學家的重視，對月球水的研究停滯了很長一段時間。

20世紀90年代，新探測技術的出現才掀起月球水研究的熱潮。首先是雷達技術，1994年美國科學家在“克萊門汀”任務中利用雷達技術對月球兩極進行探測，證實此前哈羅德·尤里的猜想。1998年，美國“月球勘探者號”（Lunar Prospector）攜帶一台中子譜儀探測到了大量的氫，估計月球極區可能存在水，多達數億噸。

進入2000年，光譜儀探測成為更加先進的方式。2009年，印度“月船一號”（Chandrayaan-1）搭載的月球礦物繪圖光譜儀發現在月球上水隨處可見，水含量隨緯度的增加而增加。“這一探測結果讓很多人第一次意識到，哦！月球上居然有水。”該論文的通訊作者之一、中國科學院國家空間科學中心研究員劉洋表示。

此後，前往土星探測器“卡西尼號”、前往彗星的探測器“深度撞擊號（Deep Impact）”、“月球觀測和傳感衞星(LCROSS)”等都用光譜儀的探測“實錘”月球上確實存在水。

帶着光譜儀“出野外”

前述來自光譜儀的數據都是從距離月面遙遠的月球上空觀測到的證據，人類還從來沒有在月球表面原位直接進行過水的探測。

2020年12月1日，嫦娥五號探測器在月球風暴洋北部地區着陸，隨後返回1731克月球樣品。月球礦物光譜分析儀獲取了月表的光譜數據。用林紅磊的話説：“這像是在月球上出了一次‘野外’，第一次有機會在月表近距離、高分辨地探測水的信號。”

實際上，光譜儀是靠發現羥基或者水分子的明顯吸收特徵來測量水。“通過分析3微米附近的光譜特徵，就可以識別月表水並獲得水含量。”嫦娥五號光譜儀的設計者、中科院上海技術物理研究所研究員何志平介紹。

和普遍意義上的液態水不同，光譜儀在月面探測到的“水”都藏在岩石中，水分子代表稍微加熱就可以跑出來的“結合水”，羥基則代表需要較高温度才能析出的“結構水”。而目前獲得的月球光譜遙感數據波段覆蓋範圍還無法區分這兩種存在形式。

為獲得更準確的數據，科研人員對光譜儀進行了熱校正。“月表温度在當地正午甚至會超過100攝氏度，高温使月壤產生的熱輻射會改變光譜形態，掩蓋水的特徵，因此對光譜進行熱校正是研究月表水的關鍵。”林紅磊説。

嫦娥五號光譜儀對採樣區約2米見方的區域進行了光譜觀測，觀測對象除了月壤之外還有一塊沒有帶回來的岩石。數據分析結果為月球上真的存在水增加了新的確鑿證據：嫦娥五號採樣區的水含量在120 ppm（百萬分之120）以下，而岩石中的水含量約為180 ppm。“相當於1噸月壤中大約有120克水，1噸岩石中大約有180克水。”劉洋介紹。

嫦娥五號採樣區背景圖和水含量（研究團隊供圖）

月球“水”事待續

科研人員分析，月壤中的水絕大部分源自太陽風“帶貨”。“太陽風裏有很多氫，轟到月面與月壤裏的氧結合形成了羥基或者水分子。”論文通訊作者之一、地質地球所研究員林楊挺告訴《中國科學報》。

和月壤中120ppm水含量相比，岩石中仍多出來60ppm的水，多出來的水又來自哪裏？科研人員推測岩石是來自於比嫦娥五號着陸點本地玄武岩更古老的區域，多出來的水可能代表了月球內部水。

不久前，中科院地質地球所的科研團隊在《自然》上同時發表三篇論文。其中一篇論文報道了基於納米離子探針分析技術對月球內部水的探測結果，確定嫦娥五號着陸區月幔源區非常“幹”，推測原因之一可能是由於風暴洋地區長期的火山噴發造成強烈脱氣的結果。

林楊挺介紹，嫦娥六號、嫦娥七號將在原位和軌道尺度繼續探測月表水的含量、分佈，這項研究成果也將為嫦娥六號、嫦娥七號的科學目標實現提供支撐。嫦娥五號是目前唯一一次既返回樣品又獲取到月表原位光譜的任務，樣品能夠詳細的分析水在月壤顆粒中的分佈、存在形式，並可利用同位素示蹤來源，而原位光譜可以與軌道遙感建立聯繫，能夠研究月表水的全球性分佈和時間變化特徵。

月球水研究遠未結束。在科研人員們看來，證實月球上存在水並估算水量對“月球村”“月球科研站”的規劃和建設至關重要。

本研究由中科院地質地球所行星科學團隊與上海技術物理研究所、國家空間科學中心、夏威夷大學、南京大學合作完成。