寻找月球上的水

月球 · 2016-10-31 15:07:03

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什么地方有海却没有水？月球。从静海到风暴洋，从阿丽阿黛溪再到虹湾，月球上到处都是和水有关的地名。但上个世纪60-70年代“阿波罗”计划采集回来的岩石却是异常的干燥。这颗在太阳系极早期由火星大小的天体和地球撞击而形成的卫星比地球上最干燥的沙漠还要有过之而无不及。因此，除了地名之外月球表面和水似乎再无瓜葛。 　　　　这一直接后果就是在月球上建立长期甚至永久基地的计划将变成“水中月”。因为对于未来的月球基地来说，就地取材远比使用来自地球引力场深处的物资来得廉价。水是一种非常高效、易于使用和储存的氢、氧载体，它可以用来生产火箭的推进剂、维持人类的日常需要、为地球和月球之间的运输系统提供燃料。 　　　　但也许先前那个谜语的答案并不是十分准确。2009年的秋天一切都在悄悄地发生着改变，“月中水”正在从“水中月”中慢慢涌现…… 　　　　“垂直极限”暗藏“水”机 　　　　与地球近23.5°的自转轴倾角不同，月球的只有大约1.5°。这一自转轴几乎和黄道面垂直的构形使得月球两极的一些地区可能永远处于阳光的照射之下，而其他一些地方则会处于无尽的黑暗之中。根据日本“月亮女神”对月球两极的观测，月球上的永久光照区并不存在。南、北两极最高的日照率也仅为86%和89%，但是确实存在永久阴影区。在那些永远照不到阳光的地方，温度会保持在大约50开（-223℃），被形象地称为“低温陷阱”。其结果是，由陨星撞击带到月球上的挥发性物质，例如氢，就会在低温陷阱中积累并被永久保存。 　　　　事实上，近半个世纪之前天文学家们就开始争论，月球上可能有冰。但直到20世纪90年代初才有了些许眉目，而它缘起的地点则出人意料地是比月球环境更为严酷的水星。当时天文学家使用雷达来探测水星的地貌，在这个过程中接收到了来自水星两极环形山中永久阴影区的回波。这一回波从电磁学上来看似乎是被一个厚冰层反射回来的。 　　　　受这一“利好”消息的影响，1994年科学家在最后关头为“克莱芒蒂娜”月球轨道飞行器安装了一个雷达。当它经过月球南极上空的时候，反射回来的信号也“预示”有冰存在的痕迹。但很多人对此留有疑义，随后地面雷达的观测并没有证实这一结果。这也许是由于月球上的水冰颗粒太小造成的，而月球两极能否存积大量的冰仍备受怀疑。 　　　　为了寻找这些水冰颗粒，1998年“月球勘探者”探测器专门携带了中子谱仪来测量宇宙线轰击月球表面所产生的中子的能量。如果这些中子在飞向探测器的过程中与月球土壤上层的氢原子发生碰撞的话，它们的速度就会大为降低。通过测量快中子和慢中子的比列，“月球勘探者”令人信服地证明月亮的两极地区富含氢——而这些氢则极有可能来自混合在月球土壤中的冰。后续的研究也试图搞清楚这些氢和永久阴影区之间的关联。但是有氢并不一定就意味着有水，因为这些氢也可能来自太阳风。 　　　　十年前，有科学家在研究“伽利略”木星探测器的数据时发现，在红外波段下月球南极附近存在一些亮点。对小行星而言，这些信号意味着有页硅酸盐的存在。而页硅酸盐的形成需要两大要素：热和水。这是否也说明月球南极的环形山中暗藏有水呢？当时人们对此的反对声不绝于耳。 　　　　新一轮探月热潮中的新发现 　　　　十年后，月球迎来了新一轮的探测热潮。欧洲空间局的SMART-1、中国的“嫦娥”、日本的“月亮女神”、印度的“月船”1号、美国宇航局（NASA）的“月球勘测轨道飞行器”（LRO）和“月球环形山观测和传感卫星”（LCROSS）都已经或者正在对月球进行探测。这些装备有先进的第二代传感器的探测器为我们带来了对月球地形、组成以及环境的最新认识。 　　　　得益于距离月球表面仅50千米的轨道，2009年9月17日LRO公布了它自6月发射以来的首批高分辨率科学结果。LRO上的月球辐射实验（Diviner）发现月球极地环形山永久阴影区的温度仅有33开（-240℃）。这一温度不仅可以储存水冰或者氢达数十亿年，还使得这些永久阴影区成为了太阳系中最寒冷的地方。 　　　　此外，LRO上和“月球勘探者”中子谱仪类似、但分辨率更高的月球探测中子探测器（LEND）发现，月球上的氢并不仅仅局限在永久阴影区中。虽然由于高温它们无法驻留于月球表面，但氢却可以以由彗星撞击带来的水、甲烷或者氨的形式存在于月球的地表之下。同时，LRO上即使只对表面水冰敏感的莱曼-α探测器（LAMP）也在南极附近的环形山中探测到了水的信号，且灵敏度也比预期的要高。 　　　　一周之后，NASA的科学家宣布搭载在印度“月船”1号上的月球矿物探测器（M3）在月球的极区发现了水分子。NASA的卡西尼探测器和“太阳系外行星观测与深度撞击扩展研究”探测器（EPOXI）证实了这一发现。在月球轨道上M3精良的分光仪会在红外波段测量月球表面的反射光，由此可以揭示出月球表面的化学成分。在分析有关的数据时，科学家发现光线在某些波长下的吸收和由水分子以及氢氧根所造成的吸收模式相同。 　　　　虽然这些水仅仅存在于月球表面最上层的1-2毫米之中，但它的分布却十分广泛，且纬度越高，水分子的信号越强。同时这些信号的强弱还会随时间周期性地变化。白天太阳风中的氢离子会和月球土壤中的氧相互作用形成氢氧根和水分子。到中午时分，由于高温水分子开始流失。到了晚上，温度下降之后水分子又会再度聚集。 　　　　即便如此，月球两极环形山永久阴影区中是否存在水冰依然还没有取得决定性的证据。不过LRCOSS会给我们一个说法。 　　　　一波三折的撞月寻水 　　　　美国东部夏令时间2009年6月18日17时32分，LCROSS和LRO一起使用同一枚“宇宙神”5型火箭发射升空，开始了它们“殊途同归”的月球之旅。为了探明月球南极的冰，LCROSS会“自杀性”地撞向月球。 　　　　LCROSS是一个D级的NASA任务，这就意味着其具有最高的失败风险。只此一次以及载人的任务都被定为A级，它们会花费大量的时间和金钱来确保任务的成功。额外的测试、特制的工具和仪器都会使得成本上涨。LCROSS的成本大约为7900万美元，这在宇航领域算是非常便宜的了。工程师改造了一些已有的航天器部件，仅用了两年时间就把它们拼凑到了一起组成了一个月球“轰炸”系统。有一些风险是值得去冒的，LCROSS就在其列。 　　　　LCROSS由两部分组成。其中占据绝大部分的其实是“宇宙神”5型火箭的二级火箭“半人马座”，另一部分则是“牧羊人”探测器。后者是LCROSS的“大脑”、“眼睛”和机动推进器。2009年6月23日，在月球的引力助推下仍然联接在一起的LCROSS进入一条围绕地球的极轨道。 　　　　一切看上去都正在按部就班得进行，但今年夏天对于LCROSS来说着实不易。在8月的几周中，LCROSS上的导航控制软件出了问题，造成它消耗了过多的燃料。在进入应急模式之后两周，9月初LCROSS重新正常运转。但接下去，LCROSS则经历了临阵换“场”。 　　　　2009年9月11日NASA公布了LCROSS将要撞击月亮用以寻找水的地点为卡比奥A环形山。之所以选择卡比奥A环形山的原因是撞击时它的光照条件非常有利于从地球进行观测。另外，其底部平坦、坡度较小以及没有大的岩石也是重要的原因。但9月28日LCROSS的官方网站又宣布，NASA的科学家已经根据最新以及过去的观测数据将撞击的地点改为了卡比奥环形山。卡比奥环形山距离卡比奥A环形山不远，其底部也终年不见阳光。 　　　　科学家对LRO和十多年前“月球勘探者”的数据分析显示，在月球南极卡比奥环形山的氢丰度最高且置信度也最大。此外，LRO和“月亮女神”的地形数据显示，沿着卡比奥环形山的边缘有一个小型的山谷。这将有利于阳光照射到撞击产生的喷出物。 　　　　美国东部夏令时间2009年10月8日21点50分左右，“半人马座”和“牧羊人”在距离月球表面约87,000千米的地方分离。以超过每秒2.4千米速度运动的“半人马座”在美国东部夏令时间2009年10月9日7点31分后不久击中了卡比奥环形山。“牧羊人”对此进行了大约4分钟的观测，随后它在7点36分也撞上了月球表面。 　　　　虽然翘首以待月球礼花的人们并没有看到激动人心的闪光，但LCROSS官方宣布观测到了撞击以及由此产生的陨击坑，同时搜集了可以说明是否有冰存在的大量数据。在“半人马座”撞击之后90秒LRO即在距其80千米远的地方飞过，LRO上的Diviner在随后绕月飞行的8圈轨道中对撞击地点进行了红外观测。 　　　　LCROSS证实月球永久阴影区中有水 　　　　2009年11月13日NASA公布了LCROSS的初步结果，证实在月球环形山永久阴影区中存在水。 　　　　这次撞击在卡比奥环形山中形成了一个超过20米的撞击坑。“牧羊人”上的近红外、可见光和紫外分光计对撞击抛射物进行了探测。当原子和分子被激发的时候，它们就会释放出能被分光计探测到的特定波长的辐射。红外分光计探测到了水和其他物质的信号，而紫外分光计则探测到了氢氧根。此外，探测共发现了95升水。这一数字仅仅是环形山中总储水量的下限，进一步的分析表明其中还有更多的水冰。 　　　　除了水之外，LCROSS还撞出了其他令人感兴趣的物质。这是因为月球环形山就像一个低温陷阱，可以保存几十亿年来掉入其中的不同物质。对LCROSS数据的完全认识还需要花更多的时间。 　　　　退亦忧，进亦忧？ 　　　　月球上存在水，这些水并不仅位于两极环形山的阴影中，而且到处都是。意料之外的发现总是让人感兴趣的，但这对于空间探测来说也许并不是一个“好”消息。 　　　　就载人探测而言，在月球上开采水的可能性经常被重返月球的计划提及。尽管有存在大量冰的可能性，但是开采的效率始终被怀疑会非常低下以致于无法实用。根据前面的发现，地质学家估计每一吨月球土壤含水大约900克。这就意味着尽管付出了巨大的劳动，但也只能得到少量的水，即便有了机器人的帮助也是如此。 　　　　另外，这些发现会被如何用于政治博弈？小布什在任期间，其提出的“星座”计划允诺20年内建成一个功能齐全的月球基地。“星座”计划（至少在理论上）的最终目标是火星。但实际上，月球很快就成了其主要的目标。就此NASA一直受到了质询，而去月球开采水总是其中重要的理由之一。无论这一做法的可行性如何，水的发现无疑鼓舞了这一计划的推动者。Space.com上的一篇文章写道“水使得月亮突然成为了一个别具吸引力的地方”。英国《新科学家》杂志也采用了相同的论调：如果能有效地开采，月球上新发现的水将帮助维持月球宇航员的活动，甚至推进去往火星的计划。 　　　　虽然月球计划可能会有助于为更漫长、更困难的火星计划做好准备，但是它也有可能很容易地演变成对时间和资源的浪费。坦率地说，在火星上发现生命的可能性始终让它比死寂的月亮更具有吸引力。而且，如果水真的是人们想要的，那么火星上会有更多。 　　　　在LCROSS的撞击尘埃落定之后，月球又恢复了往日的平静。“水中月”看上去仍然遥不可及，而“月中水”似乎也还离我们十分遥远。月球，去还是不去？是摆在所有决策者面前的一道选择题。（Shea）　　来源：科学松鼠会

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