惊鸿一瞥 浮生若梦——月球水冰探测历程

月亮,在古时又称为太阴、婵娟、玉盘,千万年来阴晴圆缺亘古不变,从古至今,人类就从未停止对月亮的向往。其中更不乏通过月亮寄托情感的神话故事和古诗词,从嫦娥奔月到“海上生明月、天涯共此时”,从古时肉眼观测到人类探测器第一次造访,若干年来月亮仿佛被赋予了生命的气息,见证并陪伴了人类的发展。

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气候观测卫星Dscovre所拍摄的月球从地球前方掠过的景象(图片来源:维基百科)

作为地球唯一的天然卫星,月球是离地球最近的天体,因其独特的环境(如超高真空、无大气、无磁场、弱重力等)和丰富的自然资源(钛铁矿、氦-3和潜在水冰资源等),一直是人类迈向浩瀚宇宙的首选目标。迄今为止,人类在月球探测60多年的历程中共实施了117次无人月球探测和9次载人月球探测任务。并且探索月球脚步从未停止,2020年9月,NASA发布最新版月球探测计划:NASA’s Lunar Exploration Program Overview,在这份计划中,NASA明确提出:2021年开始运用机器人开展月球无人探测,2024年前运送宇航员登陆月球南极,随后将在月球南极建立“Artemis大本营”,建立环月轨道空间站和月球表面基地以实现人类在月面长时间驻留。之所以选址在月球南极,其很大一部分原因是由于月球极区阴影区撞击坑内很可能存在的水冰。

一直以来水是生命活动赖以维持的基础,月球的水是月球探测的重要内容之一,既具有重要的科学意义,也蕴含着潜在的应用价值。月球存在水冰的设想最早由美国科学家Watson K等在1961年提出:由于月球极区的太阳入射角很小,一些撞击坑底部可能处于太阳照射不到的永久阴影区,表层和次表层温度常年维持在40K左右(目标-233°C)。原始月球脱气作用产生的水、彗星撞击月表带来的水,在如此低温条件下逃逸进入太空的概率很小,很可能以水冰的形式被长期保存下来,因此推测月球两极撞击坑底部可能存在大量水冰。

目前认为月球水的来源主要有3种:(1)由彗星或小天体带入。当彗星撞击月表并剧烈破碎时,碎块溅落到撞击坑永久阴影区与月壤混合;(2)由太阳风中的氢原子与月壤和月岩中的FeO发生还原反应产生;(3)月球深部释放的岩浆水。相关研究表明,上述这些水中有20%~50%以冰的形式储存在月球两极撞击坑永久阴影区。

在月球水冰设想提出后的50余年间,许多科学家持续进行多方面的探索,包括早期的绕月轨道器、着陆器、月球车的不载人探测,阿波罗宇航员的登月考察,以及月球样品和月球陨石在地面实验室内的精细分析。直到2020年10月,美国NASA宣布通过平流层红外探测天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA)开展的红外波段探测,在月表光照区发现了水分子的存在,这是人类第一次在月球表面直接探测到水分子,相关研究成果于2020年10月26日在《自然·天文学》(Nature Astronomy)杂志上。

月球水的探测具有重要意义,首先,月球两极永久阴影区中的水冰很可能保存了数十亿年前彗星或小行星带来的水,这些水包含了太阳系早期水的丰富信息,对于深入认识太阳系早期水的形成机制以及后期分馏演化过程都具有重要意义;其次,对月球基地建设和后期深空探测具有重要应用前景,由于从地球运送水到月球非常昂贵,就地开发和利用月球极区的水冰,可以解决月球基地建设中人类赖以生存的饮用水供给问题,同时通过将水分解成氢和氧,可以为进一步开展深空探测提供燃料,也能保障月球基地的氧气供给。

月球水冰探测历程

克莱门汀号(Clementine)

1994年1月,美国发射克莱门汀号轨道器,搭载了一台双基雷达(双站雷达或收发分置雷达,Bistatic Radar)。双基雷达的原理是通过向月表发射雷达波信号,在地球上接收反射回来的雷达波,根据回波信号可以反演月表物质的相关性质。该双基雷达发射的是未经调制的S-波段右旋圆极化电磁波,发射天线是直径1.1m的高增益天线,回波信号由美国加利福尼亚州的高斯登、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉三地70m天线组成的深空网络地面站接收。

1994年4月,当克莱门汀号绕月第234轨运行到月球南极上空200km高度,发现雷达回波异常,没有出现干燥月壤所应具有的特征,而是呈现出“脏冰”水冰的特征,经分析,认为月球南极可能含有存在月壤中的水冰。但此结果也受到部分科学家的质疑,他们认为根据克莱门汀号的雷达探测结果,并不能确定一定是水冰,大入射角发生多次散射效应会产生回波异常,粗糙月表等因素同样也会引起回波异常。因此,克莱门汀号双基雷达得到探测水冰的结果并没有被广泛接受。

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克莱门汀号探测器(图片来源:NASA)

 

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克莱门汀雷达探测结果,雷达回波数据显示第234轨雷达回波数据异常

(图片来源:参考文献8)

月球勘探者号(Lunar Prospector)

1998年1月,美国发射的月球勘探者号探测器在月球极地轨道上100km高度运行一年,后降低到50km和30km高度飞行。其搭载的中子探测仪,可以测量月球表面的氢含量,氢信号的强弱又可以反映水含量的多少。

中子探测仪的探测结果显示在月球两极地区存在丰富的氢,据此推测月球极区可能含有水冰,这些区域月壤中水冰的含量约为0.1%~0.3%,可能以冰粒和月壤混合物(脏冰)的形式存在。相较于雷达探测,中子探测结果引起的争论相对较少,但由于太阳风中含有丰富的氢,探测结果仍然无法确定月表物质中的氢究竟是以水冰、羟基还是其它含氢化合物的形式存在。

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月球勘探者号探测器(图片来源:NASA)

 

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月球勘探者号中子探测仪数据分析月球两极氢含量分布(图片来源:

参考文献9)

1999年7月,在“月球勘探者”号即将完成使命之前,NASA下达指令,探测器以6115km/h的速度向月球极区预定目标撞去,科学家原本估计撞击将激发约18kg的水蒸气供地基和空基观测,希望得到无可争议的水冰存在的证据,然而哈勃空间望远镜和德克萨斯大学麦克唐纳天文台都没有观测到任何有关水的信息。

月船一号(Chandrayaan-1)

2008年10月,印度发射首个月球探测器月船一号,其上搭载了由美国提供的微型合成孔径雷达(Mini-SAR)和月球矿物制图仪(Moon Mineralogy Mapper, M3)。微型合成孔径雷达相较于克莱门汀号在雷达设计上进行优化,采取了不同的工作模式以保证判断回波异常是由水冰-月壤混合物引起的,还是其他因素引起的。

Mini-SAR的探测结果表明,在探测的约40个撞击坑出现雷达回波异常,这些撞击坑内的水冰很可能是以大冰块或冰层的形式存在,分布在厚达10余米的月壤层内。

M3的探测数据表明,在全月都存在2.8~3.0μm的红外吸收特征,这些特征是由羟基(-OH)或水硅酸盐矿物引起的,但无法确定是否存在水分子。直到2018年,布朗大学李帅团队通过月球矿物光谱仪的观测数据在特定的波段范围内进行分析后,发现在月球南北极1.3μm、1.5μm和2μm的波段同时存在近红外光谱吸收峰,这是水冰存在的一个独特的特征,正是通过这三处特征吸收峰发现的这一直接证据,并经充分验证后,科学家们确定月球存在水冰。

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月船一号探测器(图片来源:NASA)

 

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水分子在1.3μm、1.5μm和2μm的三个波段同时存在近红外光谱吸收峰,这是水冰存在的一个独特特征(图片来源:参考文献11)

月球勘测轨道器(Lunar Reconnaissance Orbiter)

2009年6月,美国发射月球勘测轨道器(LRO)和月球撞击坑观测和传感卫星(LCROSS)组合体,LRO上搭载了与月船一号同样设计的雷达类载荷——微型合成孔径雷达(Mini-RF)和中子谱探测载荷——月球探索中子探测器(LEND)。

但微型合成孔径雷达的探测结果同样产生争议,无法确定雷达回波异常到底是水冰引起的,还是粗糙月表造成的。而中子探测器在月球撞击坑内的永久阴影区通过记录中子计数的方法探测到了氢的含量,。但同时也有专家对探测结果提出质疑,认为LRO中子探测器的屏蔽系统不能屏蔽掉探测区以外的中子信号,导致测量的大部分信号来自于本底(包括卫星材料产生的以及来自观测区域以外的信号)。

月球撞击坑观测与遥感卫星LCROSS由牧羊航天器和半人马座火箭两部分组成,目的是对月球极区永久阴影区进行撞击试验以检测水的存在。2009年10月,LCROSS上2.2吨重的半人马火箭以2.5km/h的速度向南极Cabeus陨石坑撞去,牧羊航天器上搭载的载荷对撞击区域进行探测,虽然撞击规模和效果低于预期,但经科学家进行分析近红外吸收光谱后,检测到了羟基、水蒸气和冰的吸收峰,证实了月球永久阴影区水的存在。

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LCROSS撞向南极Cabeus陨石坑(图片来源:NASA)

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LCROSS上的可见光相机拍摄,撞击发生20秒后出现气状云柱(图片来源:参考文献10)

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LCROSS观测数据,蓝色曲线为近红外光谱仪光谱曲线,红色曲线为月壤与水冰混合物光谱模型,两条曲线重叠明显,证明吸收特征是水冰引起(图片来源:参考文献10)

平流层红外探测天文台(SOFIA)

平流层红外探测天文台是一个架设在改装的波音747SP上的2.5米口径反射望远镜(Forcast),日常飞行在12公里高度的平流层进行红外波段探测。美国科学家Casey Honniball通过SOFIA天文台,在月球南半球高纬度的克拉维斯(Clavius)撞击坑一带的辐射光谱发现了6μm波段的辐射带,这是水分子相对于羟基或水硅酸盐矿物在该波段具有的独特辐射带,通过对这一区域探测结果进行对比分析,最终结果显示确认克拉维斯撞击坑存在水分子,浓度为百万分之100至412之间,相当于1立方米的月壤中含有12盎司的水,尽管水的含量非常少,甚至不足撒哈拉沙漠含水量的百分之一,但相较于之前对月球水冰的探测来说,此次SOFIA天文台的发现已属于前所未有。早期探测发现水冰存在的证据,都是通过遥感手段探测到氢原子或羟基的存在,而此次则是直接探测到了水分子。通过这一发现对于水冰的分布也有了新的认识,之前探测到的水冰信号几乎全部来自于月球南北两极的永久阴影区,并没有太阳照射,而此次的发现证明水冰不仅分布于寒冷且不受阳光照射的地区,同时可以存在于阳光能够照射到的月球表面。

那么这次在月表光照区域发现的水又是以何种形式存在的?经科学家分析,SOFIA天文台发现的水分子并不是以水冰或液态水的形式存在,而是与矿物结合的结晶水,相当于“困”在了月球表面的矿物颗粒中,由于结晶水与矿物之间结合牢固,需要加热到200℃甚至更高的温度才能释放出来,而月表白天温度最高也才100多摄氏度,无法使这些水逃逸。

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平流层红外探测天文台SOFIA(图片来源:NASA)

此次SOFIA天文台在太阳光照地区探测到水分子,改变了水冰仅存在于月球南北极永久阴影区的传统认知,为人类计划建立长期有人驻守的月球基地带来了希望。水作为重要的地外资源,在月球通过对水资源进行原位利用,将解决能源供给等问题。即使水冰资源的开发利用还面临着水冰提取、搬运转移、转换利用等多个环节,但我们相信,人类距离移民月球的梦想又近了一步,毕竟,我们的征途是星辰大海,人类在探索月球的道路上将永不停歇。

We choose to go to the Moon...not because it is easy,but because it is hard

——John F.Kennedy

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来源:中国科学院月球与深空探测总体部、中国科学院国家空间科学中心

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