天文|《自然·天文》：这一次，我们在月球的光照区发现了水分子
出品：科普中国
制作：haibaraemily
监制：中国科学院计算机网络信息中心
几天前的10月22日 ， NASA放出了一则“媒体告知” ， 表示“我们又有大新闻了” 。 至于是啥大新闻？会卖关子的NASA当然不会明说 ， 只是表示这个新发现“和月球有关” ， “和NASA的索菲亚（SOFIA）天文台有关” ， “来听我们的新闻发布会吧！”[1]
△NASA的“大新闻预告”
图片来源：NASA [1]
然而 ， 吃瓜群众并不会“坐以待瓜” ， 而是迅速就这些线索展开了推理 。
首先 ， 这个索菲亚天文台能干啥是确定的 。
这个由NASA和的宇航共同主持的索菲亚天文台 ， 全称“平流层红外探测天文台”（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy ， 缩写SOFIA） ， 也被称作“飞行中的天文台” 。 简单来说 ， 这就是一个在改装的波音747SP上架设的2.5米口径反射望远镜 ， 日常飞行在12-14公里高空的地球平流层中 ， 开展红外波段探测 。
△索菲亚天文台
图片来源：NASA/Jim Ross
所以…是红外波段在月球上发现了啥？按照“大新闻”的规格 ， 大概率是水、有机物或者生命这种咯？
再仔细看下NASA公布的发布会参会名单 ， 本着“一众领导里的博后才是干活的”这一常见现象 ， 看来这位现任NASA哥达德空间飞行中心博士后的Casey Honniball多半是这个发现的一作了 。
△NASA的“大新闻预告”中公布的发布会参会名单
图片来源：NASA [1]
有了这几个关键词 ， 吃瓜群众们迅速定位到了今年3月月球与行星科学大会（LPSC）的一篇摘要——《月表光照处的分子水：索菲亚机载天文台探测到6微米H2O》 。
△图片来源：参考文献[2]
基本破案了 。
果然 ， 北京时间今天（10月27日）凌晨 ， 《自然·天文》杂志上线了以Casey Honniball为第一作者的论文：《索菲亚天文台在月球光照区发现了分子水》[3] 。
△果然是 ， 有 摸鱼的 吃瓜群众在 ， 一切都没有一丝丝意外
图片来源：参考文献[3]
这并不是月球上首次发现水 。
但这一次 ， 不再是氢原子 ， 不再是被“困”在水合物中的羟基 ， 不再是永远不被阳光直射到的严寒阴影区 。
这一次 ， 行星科学家们真的在月表光照区发现了水分子 。
无水月球
地球这颗“蓝色弹珠” ， 是太阳系中唯一一个水之星球 ， 正是这些覆盖在地表上的珍贵的液态水 ， 帮助地球孕育出了生命 。 但与地球相隔仅38万公里的月球 ， 却完全是另一番光景——这里一片荒芜 ， 寸草不生 。
△地球和月球的对照 ， 大小没有按比例
图片来源：维基
月球上有没有水？几十年前的人们普遍认为是没有的 。 月球几乎没有大气层和磁场 ， 重力又那么小 ， 日间温度还很高 ， 而且那时候的人们也没有在月球表面观测到任何形式的水的迹象 ， 即使阿波罗登月任务带回的月球岩石样本中检测到的少量的水 ， 早期也被认为很可能是受到了地球大气的污染的结果[4] 。
但随着更先进的月球探测器相继问世 ， 这一观念在近些年发生了飞速变化 。
永久阴影区里的水冰
行星科学家们在月球上的寻水之路和一直和月球南北极紧密相连 。
毕竟 ， 相比于有阳光直射的赤道和中高纬区域 ， 光照最少、温度最低的月球南北两极显然更可能保存水 。
尤其是月球南北两极的永久阴影区（Permanently shaded regions ， 简称PSRs）里 ， 甚至可能封存着固态的水（水冰） 。
由于月球的自转轴几乎垂直于黄道面（自转轴倾角只有1.5°） ， 导致南北极一些低洼的地方（比如撞击坑底部）永远不能被太阳光直射到 ， 因此这些地方的理论温度甚至可以低于零下150摄氏度 。
△（左）月球南极的最高温度分布（南纬85°-极点） ， 可以看到许多撞击坑内部的最高温度也在110 K以下；（右）月球南极的永久阴影区（黑色）分布（南纬80°-极点）
图片来源：LPI Atlas [5]
如果这些阴影区里原先就有水冰存在 ， 就会一直保存下来 ， 或者气态形式的水来到了到这些阴影区中时 ， 也会以水冰的形式被永久地封存住 。
推荐阅读
- 天文|太空中的数学美感，银河系中已知最大的气态结构
- 天文|《自然·天文》这薄薄数米的月壤之中，记录着太阳系45亿年的历史
- 天文|我们如何在黑暗的太空中找到东西？
- 天文|地球是如何得到自身的水资源？答案可能藏在水星
- 天文|观测不到没关系！美国一研究团队模拟出了宇宙中第一颗恒星！
- 天文|请定好闹钟，最近的几天，双星伴月天文景观又要来了
- 天文|请定好闹钟，最近的几天，双星伴月天文景观又要来了！
- 天文|湖南青少年天文科学大赛走进湘潭 700余名小学生比拼天文知识
- 天文|关于光学，关于太阳，还有许多你不了解的观测方法！
- 天文|宇宙是否是无穷大的？如何向怀疑论者解释这个事实？