月球上的水

　　LCROSS的撞月结果

　　LCROSS由“牧羊”航天器和“半人马座”火箭两部分组成，2009年10月9日，约2.2吨重的“半人马座”火箭首先以2.5千米/秒的速度撞击月球南极的凯布斯坑(Cabeus)，“牧羊”航天器上的科学仪器有4分钟时间探测撞击溅射物，并把探测数据传回地面控制中心。遗憾的是，LCROSS的撞击规模和亮度都远低于预计，地面和其它空间探测器上的观测设备甚至没能观测到明显的撞击效果，与撞击前的高调宣传形成很大的反差。

　　今年3月，NASA专门召开新闻发布会，宣布LCROSS的撞击成功地证实月球上确实有水。据报道，“半人马座”火箭撞击产生的溅射物包括两部分，一部分由密度较小的蒸汽和粉尘组成，在撞击后腾空而起；另一部分由密度较大的岩石块和月壤颗粒组成，撞击后向四周抛射。在这次不甚成功的撞击后，科学家团队顶着压力，几乎夜以继日地分析“牧羊”航天器传回的大量数据。研究重点集中在光谱仪的探测数据，这是月球上存在水的重要证据。

　　科学家们首先排除了“半人马座”火箭污染月表的可能性，接着他们用水和其它物质已知的近红外光谱信号，同LCROSS近红外光谱仪在撞击中获得的光谱信号进行对比，发现只有月壤与水的混合光谱，才与LCROSS获得的光谱相似。而月壤与任何其它含羟基化合物的混合光谱都无法与LCROSS的观测结果相匹配。

　　LCROSS首席科学家安东尼•克拉普雷特说，“我们简直欣喜若狂，有多重证据表明，水同时存在于上述两部分溅射物中。虽然水的浓度和分布还需进一步分析，但可以肯定的是，凯布斯坑中确实有水存在。”

　　另外，紫外光谱仪在撞击溅射物中也检测到了羟基产生的发射光谱特征，进一步证实了水的存在。

　　结语

　　由于遥感探测手段的限制，目前探测月球是否存在水冰只能采用间接方式，还无法直接测量水分子的存在，所以虽然人类早就发现了月球有水的端倪，但一直缺乏直接证据。例如，中子探测仪发现月球上特别是极区的氢含量很高，但氢可能以其它化合物的形式存在，不一定证明有水；雷达探测主要根据月壤对雷达波的反射来推测月壤内的物质，探测结果发现月球上存在类似冰块或冰层的反射体，但这些反射体也可能是别的物质，不一定是水冰；光谱探测发现月球上的羟基含量很高，但羟基也可能是以其它化合物的形式存在，不一定是水。这就使得不同科学家对同一探测结果有两种甚至几种不同的解释，从而引发对月球是否确实有水的争议。

　　但此次多个探测器采用不同探测手段获得的探测结果，一致支持月球有水的解释。特别是光谱探测的结果发现月球上有丰富的羟基存在，而进一步研究发现，只有月壤与水的混合才能符合光谱探测结果，月壤与其它任何含羟基化合物的混合都无法符合光谱探测结果，这使得月球有水几乎得到确证。而且，与以前的预测相比，水的分布范围可能更广泛。

　　如上所述，目前认为月球上水的存在形式主要有三种。第一种是与矿物结合的结晶水，这种结合非常牢固，只有月壤被加热到几百摄氏度的时候才能释放出来，月球白天温度100多摄氏度还无法使这些水逃逸，这也就解释了为什么在月球的中低纬度地区和太阳光照射地区仍然能探测到水的原因；第二种是与月壤以冰尘混合物形式存在的“脏冰”，这种冰只能存在于温度极低的永久阴影区内，含量约为0.1%，很难收集和利用，对未来月球基地没有利用价值；第三种就是以冰块或冰层形式埋藏在月壤内的水冰。

　　就目前的技术水平而言，月球水冰的发现只有研究上的意义，还不具备开发利用前景。但接下来科学家还需要回答一系列问题，如，月球上的水是从哪里来的？是否来源于太阳风喷射到月球的连续质子流？或是彗星和小行星的撞击带去的？这些水在月球上是怎样移动的？在月球上的水中，被矿物吸收的结晶水占多大比例，与月壤以“脏冰”形式存在的水又占多大比例？最可能有利用价值的冰块或冰层分布在哪里？这些问题可能还需要数年的研究才会真相大白。

中国国家天文杂志 文/郑永春 邹永廖 李佳