天文|《自然·天文》：这一次，我们在月球的光照区发现了水分子( 二 )
如何找到这些水？常见的手段是一种叫做“光谱”的遥感探测 。 不同物质反射/辐射光的特征是不同的 ， 结果就是含有某种物质的反射/辐射光谱图像在某些特定的波段会表现出明显的吸收/辐射带 。 这是科学家们在不能亲身前往的外太空里寻找某种物质时搜寻的“指纹” 。
例如 ， 水冰的反射光谱在可见光到近红外波段范围内（0.4-3 μm）有三个显著的V型特征吸收带 ， 分别在1.3、1.5和2.0 μm处 ， 行星科学家们主要通过这个特征来寻找外星上的水冰 。
△火星上富含水冰的区域展现出的相似的光谱特征（1.65 μm处的尖峰是仪器问题 ， 不用管）
图片改编自：参考文献[6]
2018年 ， 夏威夷大学的李帅团队利用印度月船1号（Chandrayaan-1）探测器搭载的月球矿物绘图仪（简称M3 ， 以及 ， 这个仪器是NASA的）光谱数据 ， 在南北纬70°以上的永久阴影区中发现了多处暴露在地表的水冰 。 这也是科学家们首次在月球发现水冰存在的直接证据[7] 。
△（左）月球南北极区含有水冰的位置（天蓝色点） ， 底图的灰度代表表面温度 ， 颜色越深就越冷；（右）三处含有水冰区域的反射光谱示例（虚线是实际观测值 ， 实线是平滑后的结果）
图片来源：参考文献[7]
那 ， 那些可以被阳光照射到的 ， 温度更高的区域里呢？
永久阴影区之外的羟基（OH）
在月球南北极的永久阴影区之外还有水吗？也有 ， 但和我们想象中的很有那么点不一样 。
因为 ， 明确探测到“完整”的分子水（H2O）太困难了 ， 科学家们只能一点一点先尝试探测H2O的“零部件” 。
首当其冲的“零部件”是氢（H） 。
1998年发射的NASA月球探勘者号（Lunar Prospector）探测器搭载了一台中子光谱仪 ， 它在在月球南北极探测到了氢元素的富集 [8] 。 这可能是水么？完全可能 。 但这也同样可能是任何含有氢的物质 ， 我们无法判断到底是哪一种 。
△月球探勘者号的中子光谱仪测量的月球极区超热中子量分布 ， 越蓝表示越低（氢越多） ， 越红表示越高（氢越少） 。 因为超热中子被氢原子慢化的效率最高 ， 所以观测到的超热中子量越低就代表氢的富集度越高
图片来源：参考文献[9]
进一步得到确认的“零部件”是羟基（OH） 。
2009年 ， 印度月船1号、NASA的深度撞击号和卡西尼号三个不同的探测器 ， 在同一年发现了月球全球分布、南北极富集的羟基/H2O [4, 10, 11] 。 但遗憾的是 ， 这几个探测器的光谱仪大多波段在可见光到近红外的范围（0.4-3 μm） ， 只能通过2.8-3.0μm波段的反射光谱吸收带判断存在羟基或者含水矿物形式的水 ， 具体是哪种我们无法判断 ， 但通常更倾向于是羟基形式的水 。
△（左）月船1号的M3探测的月球极区羟基的富集（越蓝表示越富集）| NASA（右）羟基（OH）、水和水冰在3 μm（3000 nm）附近有不同波段有不同的吸收特征 ， 但月船1号的M3刚好没能完整覆盖这个区域 ， 只能判断有羟基和可能的分子水
图片来源：参考文献[4]
当然 ， 找到羟基也很不错了 ， 行星科学家们四舍五入也把羟基视作一种形式的水 。 嗯 ， 是盖章认证过的月球水 。
但毕竟 ， 我们还是希望能清楚判断这到底是不是“完整”的H2O水 ， 希望能找到比羟基更“正经”的水的 。
从可见光到红外
那有没有其他可以明确区分羟基和分子水的特征呢？把波长放长一点 ， 到红外波段的话 ， 可以有 。
△电磁波各波段 。 过去的深空探测器主要以可见光和近红外波段为主来探测水
图片来源：维基
分子水的辐射光谱在6 μm波段有个独特的辐射带 ， 这是羟基完全没有的特征 。
2018年8月 ， 当时还在夏威夷大学攻读博士学位的Casey Honniball及其合作者们用索菲亚天文台FORCAST红外望远镜对月球正面光照区进行了观测 。 FORCAST望远镜的观测波段覆盖5-8 μm ， 非常适合用来寻找6 μm波段有没有分子水 。 事实上 ， 这也是原本用于观测黑洞、星团和星系的索菲亚天文台首次用于观测月球 。
然后 ， 她（他）们真的找到了！
南半球高纬度的水分子
Casey Honniball及其合作者们选择了月球南半球高纬度的克拉维斯（Clavius）撞击坑一带（纬度：55-75°S）作为搜寻目标 。 月船1号的M3光谱仪曾在这里发现过3μm波段的羟基富集 ， 因此作者们推测这里也有可能存在分子水 。
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