天文|《自然·天文》：这一次，我们在月球的光照区发现了水分子( 三 )
她（他）们还选择了位于赤道的澄海部分区域（纬度：17-28°N）作为对照组一起观测 ， 这里温度更高 ， 表面矿物也不同 ， 是个和克拉维斯撞击坑差异很大的区域 。
结果非常理想 。 克拉维斯撞击坑一带的辐射光谱里确实发现了6 μm波段的辐射带 ， 而澄海对照组就没有 ， 说明前者确实存在水分子 。
△（左）索菲亚天文台的两个观测区域：克拉维斯（Clavius）撞击坑一带和澄海一带（对照组）；（右）克拉维斯撞击坑一带观测到的6 μm辐射带示例
图片来源：参考文献[3]
不过 ， 水分子真的不多 。 据这次观测数据推算 ， 克拉维斯撞击坑一带的水分子含量在100-400 ppm（1 ppm = 100万分之一） ， 总量不足撒哈拉沙漠水量的百分之一[12] 。
什么样的水分子？
分子形式的水 ， 也可以有很多形态 。 克拉维斯（Clavius）撞击坑一带发现的是哪种？作者表示 ， 这是一个被很多采访人员问到的问题 。
△固、液、气态水分子
图片来源：University of Waikato
这是一片会被太阳照射到的区域 ， 最高温度有七八十摄氏度 ， 所以这次发现的水分子不可能是水冰形式 ， 但也不是液态水那样通常大众所感知的流动的形式 。 这样的水分子想要安然躲过月面的紫外分解和高温幸存下来 ， 大概率是需要“躲藏”在月面物质颗粒的内部或者颗粒物的空隙之间的 。 当然 ， 这只是一种物理上的“困”住 ， 不同于羟基与月表物质化学上的绑定 。
△“困”在月表颗粒中的分子水示意图
图片来源：NASA/Daniel Rutter [12]
Casey Honniball及其合作者们认为 ， 最可能的情况是这些水分子被“困”在月壤中的撞击玻璃（impact glass）中 ， 这是一种微陨石撞击产生的高温作用下形成的玻璃质物质 。
△阿波罗样品中的“花环”状撞击玻璃 ， 是微陨石撞击熔融的产物 。 （左） 扫描电镜（SEM）二次电子图像 ；（右）X射线图像
图片来源：Lehigh University [13]
月壤中撞击玻璃的质量占比大约在30-70%之间 ， 剩下的是岩石和矿物碎块 。 取下限30%的话 ， 就意味着如果这些水分子真的是撞击玻璃中的水 ， 那么相当于克拉维斯撞击坑一带月壤的撞击玻璃中含水量可以高达300-1300 ppm（平均700 ppm）——大约是从月球赤道一带采回的阿波罗月壤中撞击玻璃水含量的5倍 。
都是撞击惹的水？
这些水分子是怎么来的？可能的原因有很多 。 作者尤其介绍了其中两种：1）撞击引起的；2）撞击带来的 。
撞击带来的水很好理解 ， 太空中飞来的小天体（撞击体）里原本就水分子 ， 它们随着撞击来到了月球表面 ， 从此安家月球 。
而撞击引起的水就烧脑一些 ， 需要两个步骤来完成 [14-17]：1）形成羟基：月球表面原本有无水的硅酸盐 ， 然后太阳风注入月壤 ， 带来的高能氢离子可以破坏硅氧键 ， 与氧结合形成羟基；2）羟基形成水：微陨石的撞击产生的热能又进一步把羟基转变为水分子 。
不再是“沙漠”的月球
然而必须认识到的是 ， 本次观测到的水分子只是索菲亚天文台在某个时间段里月面一小块区域内发现的“一鳞半爪” ， 而且含量非常低 ， 因此这一结果并不能证明月表的光照区可以广泛而稳定地存在水分子 。
但它证实了一种可能性 ， 那就是在月球终年严寒的永久阴影区之外 ， 在最高温度高达七八十摄氏度的月球光照区 ， 水分子依然有存在的可能 。
今年底 ， 我国的嫦娥五号任务将前往月球 ， 带回月球正面的岩石和土壤样品；2024年 ， NASA的阿尔忒弥斯计划将再次把人类送上月球；在不算遥远的将来 ， 各国还计划在月球南极建立长期的月球科研基地……
而月球水分子的发现 ， 无疑为人类将来重启的载人登月计划和建立长期的月球基地带来了新的水资源希望 。
“沙漠”月球已成过去 ， 如今的月球 ， 不仅是“水冰月” ， 还有更多可能尚未发掘的水资源 。 而接下来对更多月面光照区的后续观测则将给出更全面的月表水分子分布信息 。
参考资料：
[1] NASA to Announce New Science Results About Moon
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-announce-new-science-results-about-moon
[2] Honniball, C. I., Lucey, P. G., Li, S., Shenoy, S., Orlando, T. M., Hibbitts, C. A., ... & Farrell, W. M. (2020). Molecular Water on the Illuminated Lunar Surface: Detection of the 6 μm HOH Fundamental with the SOFIA Airborne Observatory. LPI, (2326), 1422.
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