太阳风“吹来”月球水

2012-12-07尹怀勤

太空探索 2012年12期

□ 尹怀勤

10月14日出版的新一期英国《自然-地学》杂志刊登报告说，美国研究人员对阿波罗系列探月飞船带回的月球土壤样本进行分析后认为，月球上存在的水可能来源于太阳风，这说明其他一些星球也可能同样因此而存在水。此一说法再次引起了人们对月球水及其来源的关注。

航天探测发现月表有水

早在2009年9月24日，美国航宇局就曾宣布，科学家经过对三个独立航天探测仪器传回地面的数据的研究分析,发现月球表面存在水和羟基1，相关的三项报告刊登在当日出版的《科学》周刊杂志上。这是人类自1959年1月2日开始发射航天器对月球进行探测以来，首次确认月面有水，乃系在探月工程征途上取得的重大成果之一。

在月球上找水，一直是航天探月活动较为关注的一个重点问题。以前主要在月球陨石坑内寻找，未想到首次发现月球有水，并不是陨石坑底部的地下水，也不是被土壤吸收的水，而是普遍存在的附着在月球土壤表层的水。这一发现结论最先是根据印度首颗探月卫星“月船1号”携带的美国科学仪器提供的数据资料而得出的。印度于2008年10月22日发射的“月船1号”轨道探月器，原定绕月运行两年，不料于2009年8月29日突然与地面站失去联系，提前终止了探测任务。该探月器上的有效载荷装有多台美欧提供的科学仪器，其中包括美国航宇局研制的“月球矿物质绘图仪”即M3。正是这台仪器获得的探测数据被传回地面之后，才促使美国科学家们发现了月球表面有水。

强劲的太阳风

“月球矿物质绘图仪”是利用光谱扫描的方式来开展探测工作的。月球上没有大气层和云雾，太阳光能够完全照射到月面上，M3在绕月运行过程中，可对俯视月面反射太阳光的情况进行追踪扫描分析，从获得的数据即能判断月球土壤中的物质元素成分。由于每种元素吸收的光波波长是事先知道的，故当某一波长的光波未被反射或反射很少时，即可推知相应的元素就存储在月面上。换句话说，如果在M3的探测数据中找到了达到吸收峰值的光波波长，也就等于在月面上找到了与之对应的物质。美国布朗大学行星地质学教授卡莱·彼德斯等人正是分析了这一仪器的探测数据后发现，月球两极地区吸收的光波波长与水分子和羟基1分子吸收的光波波长相一致，才确认了月面存在水和羟基1两种物质的。水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的，而羟基1分子则是由一个氧原子和一个氢原子组成的。

物理学揭示，尽管电磁波辐射源可分为黑体、灰体和选择性辐射体三种类型，但是任何物质都辐射电磁波。就一种物质元素来讲，它辐射和吸收的光波波长是一样的。明白了这个道理，对于“月球矿物质绘图仪”旨在通过接收物质发出或吸收的电磁辐射来探寻月表水资源也就能够予以正确理解。这里讲的物质发出的电磁辐射即物质辐射的固定波长的电磁波，实际上就是指的物质吸收的固定波长的光波。当然，M3不仅能发现水和羟基1，也能发现其他化学元素，只是前者属首次发现，其意义重大，故特别引人注目，后者以前已经发现，并不新鲜。由于“月船1号”在极月轨道运行，M3每圈扫描月面一定的宽度，最终能将月面覆盖一遍，在11个月与地面保持联系工作期间已多次全覆盖月面，故能给出月球物质的分布图。

美国“深度撞击”彗星探测器释放“撞击者”

三个探测器共同证实

因为以前的多次航天探测和12名航天员登月均未在月球表面找到水，人们一直认为月球是一个干燥荒凉的星球，所以科学家们从M3提供的数据中发现月面有水之后，最初推测是该仪器出了故障，给出了错误的信号。彼德斯说：“为了找出问题在哪儿，我们内部争执了很长时间。”解决问题的办法无疑是应找到更多的证据。

研究组成员、马里兰大学天文学家杰茜卡·森夏恩想到了他在美国航宇局的“深度撞击”号探测器上安置的一台类似M3的仪器。“深度撞击”号是一个彗星探测器。它于2005年1月13日被发射升空，于同年7月3日释放携带的子探测器“撞击者”，让后者于次日猛烈撞击“坦普尔1”号彗星的彗核。在撞击过程中，它不仅及时地对彗核情况进行了探测，而且还适时地将获得的数据资料传回地球。随后，它就在星际空间遨游。2007年12月13日，美国航宇局宣布，“深度撞击”号将飞向第二个目标“哈特利2”号彗星，拍摄其彗核照片，继续执行探测任务。2009年3月，“深度撞击”号曾绕经月球，从其安装的类似M3仪器获得的探测数据中，科学家们也找到月球上有水和羟基1的信号。这就基本解除了研究组原本存在的疑惑。

但是科学家们并未就此止步，他们又回顾了美国航宇局“卡西尼”号探测器的记录。“卡西尼”号是1997年10月15日发射升空的土星探测器，也装有类似于M3的科学仪器。它是沿着借助行星引力以提速的路线奔向土星的，曾于1999年8月18日飞掠地球，并于2004年7月1日进入环绕土星的轨道飞行，至今仍在工作。在飞掠地球期间，它也对月球进行了探测。科学家们分析“卡西尼”号当时传回地面的探月数据，从中也发现了月球有水和羟基1。彼德斯说，三个不同的航天器上的三台探测仪器同时出现同类型故障的概率几近于零，所以这就证实了月球上确实存在水和羟基1两种物质。

虽然发现月面有水，令科学家们大吃一惊，但是月球还没有潮湿到可以孕育生物的地步，那里仍然是个没有生命的世界。彼德斯表示，当我们说“月球上有水”时，并不是指湖泊、海洋或者小水洼。实际上月表水并不多，需要730平方米的土壤才能获取一口水。森夏恩说，在容量为两升的饮料瓶内盛放的月球土壤中，很可能只有一滴水。这相当于从1吨重的月表物质中仅可以得到1千克的水。根据“深度撞击”号提供的数据证实，月球表面大部分地区都存在水和羟基1的迹象，并不仅仅限于高纬度的两极地区。

2009年10月9日，美国航宇局用一枚重2.2吨的半人马座火箭和一个重891千克的牧羊探测器连续撞击月球南极的凯布斯坑。两次撞击产生的效果相当于1.5吨炸药引爆的情况。从溅起的坑底物质中发现，至少撞出了96升水，此举揭示了月球南极永久阴影带里存在水冰。这一堪称里程碑式的发现，终于使月球露出了神秘的一面。美国《国家地理》杂志评出的2009年十大太空发现中，轰动世界的撞月找水事件和所获肯定结论就榜上有名。其影响之大，由此可见一斑。继而在2010年，美国航宇局又在月球北极附近发现了数十个含水陨石坑，其中至少蕴藏有6亿吨水冰。

美国“卡西尼”探测器穿越土星光环

月球表面水的来源

关于月球表面水和羟基1的来源，当时科学家们分析称，其形成和滞留是一个持续进行的过程，有些月表水可能来自撞击月球的彗星或小行星，有些可能来自撞击事件释放的困于月表下面的水，但绝大部分则可能来自太阳风携带的氢原子与月球土壤中的氧原子相结合形成的水。太阳风是日冕因高温膨胀而向外抛出的超音速带电粒子流，其中主要含有带正电荷的氢原子。由于地球有大气层的阻隔和磁场的屏蔽，太阳风无法直接到达地面，而月球缺乏这种保护，致使太阳风可直达月面。在太阳风的连续冲击下，月面岩石的化学链被打破，结果释放出氧原子，氧原子与氢原子相遇产生化合作用，就生成了水分子。美国行星协会的项目主任布鲁斯·贝特说：“在月球被太阳光照射的区域发现水或者羟基物质非常令人振奋”。被太阳光照射的月球区域，也就是被太阳风直接吹到的区域，因此科学家们更倾向于月表水来自于第三种可能性。

2012年10月14日美国田纳西大学等机构的研究人员发表报告说，他们利用红外线光谱分析阿波罗11、16和17号飞船带回的2个来自月球平原、1个来自月球高地的风化层土壤颗粒样本，取得它们的化学特征，结果显示，其中所含有的氢氧基中的氢原子，其同位素比例等特征与太阳风中的氢原子相似。氢氧基是由一个氢原子和一个氧原子组成的原子团，再加上一个氢原子就变成了水。这就证实了原来科学家们从M3获取的探测资料数据中得出的结论，即月球上发现的一部分水可能来自太阳，更确切地说是太阳风将氢原子携带至月球表面，氢原子可以转化为水分子或相近的羟基物质。由于这是首次直接从月球土壤中经过科学分析得出的结论，故而同样引人注目。从研究仪器绕月探测数据和直接分析月面土壤样本都获得月球水可能来自太阳风的认识，无疑增强了此一结论的可信度。

印度月船-1探测器

太阳发射出不间断的粒子流，致使太阳风每秒流量达到100万吨，对太阳这样质量的星体来说，此一损失微不足道。研究人员表示，太阳系中其他一些没有大气层、直接暴露于太阳风的星球，也有类似的产生水的条件，比如距太阳最近的水星和一些诸如灶神星的小行星上就可能同样存在源于太阳风的水。研究团队认为，这项研究为太阳系中其他类似月球这样的天体寻找水源提供了一条线索或途径。

本来在发现月表有水之后，一些科学家就认为，随着时间的推移，水分子在月表移动，直至被两极月坑捕获而结冰。月坑水如若果真存在几十亿年的话，科学家就可通过对它的研究而解开太阳系形成之谜。美国航宇局总部首席科学家迈克尔·沃戈说：“我们正在解开围绕着这个离我们最近的邻居的谜团，延伸下去的话，还有太阳系。”由此可见，研究月表水和月坑水的来历对人类进一步认识宇宙奥秘具有重要作用。

与此同时，发现月表有水尤其是月坑有水对人类开发和利用月球资源亦有重大意义。参与撞月寻找月坑水项目的布朗大学地理学教授彼得·舒尔茨说：“自从阿波罗计划终止后，我们断言月球是座死星球。而现在摆在我们面前的，是一座存在了几十亿年的冰水库。”“我们以前就得到提示说月球有水，但这一次，我们就像尝到了水一样。”科学家认为，月坑有水，为将来在月球上建立基地和向月球移民提供了基本条件。如若能在月球上找到大量冰水，就可在月球上建设永久性驻人基地，作为探索宇宙的中转站。因为净化后的水不仅可供人饮用，还能分解成氢气和氧气，二者冷却后可变成液氢和液氧，从而能成为液体火箭低温高能推进剂。由于月球引力仅为地球引力的六分之一，故从月球基地上用小型火箭即可发射大型深空探测器和宇宙飞船。同时，月坑水也可能满足工业和农业用水之需，其长远影响将是更为广泛的。毋庸置疑，月球找水任务和研究其来源的工作还会继续进行下去。事实上，世界航天大国都有继续探月或者派人登月的计划安排。最明显的例证，就是10月22日英国《每日电讯报》报道称，欧洲首个登月航天器项目现已启动。根据欧洲空间局公布的计划，其将在2018年进行首次登月，目的是寻找月球上的水源，为未来完成载人登月任务的航天员提供生存资源，同时为人类移居月球铺平道路。