嫦娥五號首次獲得月表原位探測數(shù)據(jù) 采樣區(qū)水含量在120ppm以下

2022-01-21 14:23:39 來源：科技日報(bào)

目前關(guān)于月表水的來源，普遍認(rèn)為有3種可能。第一種是外來說，即由太陽風(fēng)和隕石帶來的，這是因?yàn)閺倪b感數(shù)據(jù)和月球樣品分析數(shù)據(jù)來看，月壤表層的水(羥基)含量比深層要高;第二種是內(nèi)生說，即水是月球內(nèi)部排放出來的，這是固體巖石行星水來源的最通常情況;第三種則認(rèn)為月球上的水是由彗星類天體從太陽系外緣帶來的天然水。

近日，嫦娥五號首次獲得月表原位探測數(shù)據(jù)，科研人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出，嫦娥五號采樣區(qū)的水含量在120ppm(百萬分之一)以下，而巖石中的水含量約為180ppm。相關(guān)研究成果1月8日在線發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》期刊。

“這相當(dāng)于1噸月壤中大約含有120克水，1噸巖石中大約含有180克水。”論文第一作者、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員林紅磊解釋道。

“月球存在水的事實(shí)，已經(jīng)被多次‘實(shí)錘’了。”嫦娥五號鉆取子系統(tǒng)飛控專家組成員、中國地質(zhì)大學(xué)教授肖龍?jiān)诮邮芸萍既請?bào)記者采訪時(shí)表示。

半個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家研究過月壤樣品，還采用雷達(dá)、中子譜儀、光譜儀等探測設(shè)備，從月球軌道進(jìn)行遙感探測，數(shù)次發(fā)現(xiàn)月球上“水”的芳蹤。唯獨(dú)沒有在“月表原位”(即月球表面)近距離探測水的信號。

此次最新發(fā)現(xiàn)不禁令人好奇，月表原位探測到水意味著什么?科學(xué)家是如何確定水含量的?月球上的水是否存在利用價(jià)值?

用光譜儀在月球表面“找水”

肖龍說，此前科學(xué)家曾在100—200千米高度的月球軌道上，探測到了月球存在水或羥基的信號。此外，從以往的月球樣品中，也檢測到了羥基或水的信號。

“嫦娥五號則是在月表原位靠近采集樣品的位置探測到水的。”肖龍指出，這次科學(xué)家是從嫦娥五號攜帶的月球礦物光譜分析儀的光譜譜線信號中，檢測到羥基位置有響應(yīng)，再根據(jù)信號特征估算出了可能的羥基或水含量。

肖龍表示，探測月球水含量的最好辦法，還是對采樣區(qū)的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測。他說：“國內(nèi)很多單位都申請到了月球樣品，估計(jì)這一問題很快就會(huì)有更為令人信服的答案。”

月球礦物光譜分析儀的觀測對象，是采樣區(qū)2米見方的月壤和一塊沒有帶回來的巖石。

光譜儀靠發(fā)現(xiàn)羥基或者水分子的明顯吸收特征來探測水。深圳大學(xué)教授黃少鵬解釋道，光是一種電磁波，科學(xué)家可以通過光譜儀，測量月壤或巖石對不同波段電磁波輻射的反射或吸收能力的強(qiáng)弱，再對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定被測對象的光譜曲線特征，再確定其含水量的多少。

黃少鵬打了個(gè)比方，從光譜曲線中檢測羥基和水，就如公安干警通過指紋比對確定嫌犯一樣。要想知道月球上有沒有水，就要看光譜曲線上那些具有特征指示意義的波段是否缺失，光譜曲線中與水對應(yīng)的波段缺失越嚴(yán)重，說明被測量物體的水含量越多。

“通過分析觀測數(shù)據(jù)中3微米左右的光譜特征，就可以判斷月表是否有水，并獲得大致的水含量。”嫦娥五號光譜儀設(shè)計(jì)者、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員何志平說。

“嫦娥五號是目前唯一一個(gè)既帶回了樣品又獲取到月表原位光譜數(shù)據(jù)的探測器。”林紅磊表示，其帶回的樣品能夠詳細(xì)地分析水在月壤顆粒中的分布以及存在形式，并可利用同位素示蹤其來源;獲得的原位光譜數(shù)據(jù)則可以與軌道遙感數(shù)據(jù)結(jié)合，研究月表水的全球性分布和時(shí)間變化特征。

月球水的三個(gè)可能來源

嫦娥五號探測到的水是從哪來的呢?研究人員結(jié)合樣品分析認(rèn)為，月壤中的水絕大部分來自太陽風(fēng)。“太陽風(fēng)里有很多氫。當(dāng)太陽風(fēng)轟擊到月面，其中的氫與月壤里的氧結(jié)合形成了羥基或者水分子。”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員林楊挺說。

肖龍也認(rèn)為，太陽風(fēng)是月球水的可能來源之一。他解釋道，水的形成需要?dú)浜脱酰荚氯乐袣涞暮繕O低，且大量的氧存在于月球礦物中，這不利于直接形成水。但是太陽風(fēng)中主要是氫，“當(dāng)這些氫注入月壤中時(shí)，就可能與月球礦物中的氧結(jié)合形成水或羥基”。

“另外還有一種可能，就是彗星帶來了水。”肖龍解釋說，彗星中含有大量的水冰，當(dāng)其撞擊月面后，絕大部分水冰都蒸發(fā)逃逸了，但還有一部分可能混入月壤中，保存了下來。

“當(dāng)然也不排除原始月壤中就含有部分的水。”肖龍補(bǔ)充道，前人對阿波羅月球樣品進(jìn)行了大量的研究，在一些礦物中發(fā)現(xiàn)了少量的水，它們可能是來自月球內(nèi)部原始的水，只不過含量極低。

目前關(guān)于月表水的來源，普遍認(rèn)為有3種可能。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員平勁松總結(jié)，第一種是外來說，即由太陽風(fēng)和隕石帶來的，這是因?yàn)閺倪b感數(shù)據(jù)和月球樣品分析數(shù)據(jù)來看，月壤表層的水(羥基)含量比深層要高;第二種是內(nèi)生說，即水是月球內(nèi)部排放出來的，這是固體巖石行星水來源的最通常情況;第三種則認(rèn)為月球上的水是由彗星類天體從太陽系外緣帶來的天然水。

相比月壤120ppm的水含量，巖石中的水含量為180ppm。那么巖石比月壤多出來的水，又來自哪里?研究人員推測，多出來的水可能是月球內(nèi)部的水。

黃少鵬也認(rèn)為，多出來的水可能來自月球內(nèi)部。這是因?yàn)樯鲜鑫恼聢?bào)告的測量對象，是一塊由于隕石撞擊挖掘?yàn)R射出來的巖石，形成于月球深部，而且這塊巖石上有疑似噴氣孔，它的含水量比其周邊的月壤高，這就為月表水的內(nèi)生說提供了有力證據(jù)。

此項(xiàng)研究成果意義非凡

證實(shí)月球上存在水，并估算水的具體含量，對于建設(shè)“月球科研站”等至關(guān)重要。那么這次發(fā)現(xiàn)的水，可以為人類所用嗎?

平勁松表示，巖石結(jié)晶水、表面水分子或羥基、表面一定深度下的水冰、更深處存在的液體水層、深部巖石縫隙里的液態(tài)水等，都可能是月球上水的存在形態(tài)。

與普遍意義上的液態(tài)水不同，“這次光譜儀探測到的‘水’，指的是礦物里的水分子或者羥基，在一定條件下才能轉(zhuǎn)化為我們熟悉的水。”林紅磊解釋道。

肖龍解釋說，水一般是自由態(tài)的，容易被分離和提取出來，稍微加熱就可以讓水蒸發(fā)出來。而羥基的提取難度就大得多了，它們基本存在于礦物內(nèi)部，與其他原子緊密結(jié)合在一起，需要破壞礦物的結(jié)構(gòu)之后，才能被分離出來，實(shí)用性自然沒辦法與水相比。以目前月球光譜遙感數(shù)據(jù)波段的覆蓋范圍，還無法區(qū)分這兩種存在形式。

“而且月球礦物里無論是水分子還是羥基，目前都還沒有直接的應(yīng)用價(jià)值。”黃少鵬說，試想把1噸的石頭“吃干榨凈”，得到的水或羥基也只夠裝滿1個(gè)小型白酒瓶(125毫升)，而且這項(xiàng)艱巨的任務(wù)還得在月球上完成。

但即便如此，黃少鵬也指出“這項(xiàng)成果具有重大科學(xué)意義”。他說，水是生命之源，此前科學(xué)家都是通過遙感衛(wèi)星或采回的月球樣品探測到水，而這是第一次在月球現(xiàn)場實(shí)時(shí)“看”到了水;此外，這項(xiàng)研究提供了內(nèi)生月表水存在的重要證據(jù)，從而指明了探測月球水資源的一個(gè)重要方向;最后，水在月球、地球以及行星演化中具有重要作用，這項(xiàng)成果對于研究太陽系的起源和演化具有重要的理論意義。(唐芳)

關(guān)鍵詞： 嫦娥五號 月表 原位探測 數(shù)據(jù) 采樣區(qū)