研究人員發現月球上隱藏的”蓄水池”
人類正一步步接近地球以外的生活,但要在月球或火星上維持生命,需要一個關鍵資源:水。加州大學聖地牙哥分校的研究小組正在協助確定月球水源,以協助美國國家航空暨太空總署(NASA)的阿耳特彌斯號(Artemis)任務探索月球並最終實現月球殖民。透過分析月球岩石,研究人員發現月球上的大部分水要不是原生水,就是來自彗星撞擊,從而推翻了太陽風起主要作用的觀點。

沙克爾頓環形山的圖片,這是月球南極附近的永久陰影區,顯示了海拔高度(左)和陰影地形(右)。科學家認為該隕石坑中可能儲存有水冰。圖片來源:美國太空總署科學視覺化工作室
當人類展望地球以外的未來–月球、火星和更遠的地方–最大的挑戰之一是確保生存必需品:氧氣、食物和水。科學家知道月球上有水,但確定其確切位置至關重要。它是隱藏在環形山中,被困在永久陰影區,還是集中在兩極?確定這些水源是支持長期月球居住的關鍵——直到現在,這還屬於科幻小說的範疇。
加州大學聖迭戈分校的研究人員正在努力改變這種狀況,他們將幫助指導未來的太空任務,包括美國國家航空暨太空總署(NASA)的阿特米斯計劃,該計劃旨在探索並最終在月球上建立人類的存在。他們的研究發表在美國國家科學院院刊(PNAS)特刊上,題為”月球和火星上的水”,可以作為月球探索的路線圖。本期封面甚至重點介紹了美國國家航空暨太空總署雄心勃勃的月球計畫的第一步–阿耳特彌斯一號。
參與這項研究的科學家包括加州大學聖地牙哥分校化學與生物化學特聘教授馬克-蒂門斯(Mark Thiemens)和布魯塞爾自由大學研究員、史克里普斯海洋研究所校友馬克斯韋爾-蒂門斯(Maxwell Thiemens )父子團隊。他們的工作使我們更接近了解月球的水源,這是將月球探索變為長期現實的關鍵一步。
月球探索的遺產
1967 年,諾貝爾獎得主哈羅德-烏雷和詹姆斯-阿諾德–兩人都是加州大學聖地牙哥分校化學系的教師–成為第一批收到阿波羅11 號月球樣本的人。烏雷是最早提出月球上有水的理論的科學家之一,尤其是在月球兩極的永久陰影區。
如今,科學家認為月球上的水有三種來源:
月球本地、由太陽風產生(來自太陽的氫氣與月球上的氧氣發生高能量反應,很可能在火星上產生水)、沉積(來自撞擊到月球表面的冰彗星)。
在地球上,人類文明往往在水體附近興起,在太空中也不例外。在月球上,了解水源的來源非常重要,因為這將為太空人在哪裡建立基地和棲息地提供指導。
最廣為接受的理論認為,大約45億年前,地球與另一顆行星發生了碰撞。撞擊產生的碎片在環繞地球的軌道上聚集,形成了月球。
美國國家航空暨太空總署(NASA)的阿波羅太空任務於1961年至1972年進行,最終於1969年實現了首次登月。阿波羅太空人總共帶回了842 磅月岩,其中一些被送到了哈羅德-尤里在加州大學聖地牙哥分校的實驗室。
美國國家航空暨太空總署(NASA)的阿爾忒彌斯計畫(Artemis campaign)的目標是探索月球進行科學發現,並學習如何在另一個世界生活,為人類火星任務做準備。阿耳特彌斯一號是一次無人繞月試驗飛行,而阿耳特彌斯四號將首次亮相人類的首個月球太空站。
月球上的永久陰影區從未見過陽光。由於月球的軸線幾乎垂直於太陽的方向,月球兩極的一些區域在20多億年裡一直處於黑暗之中。
從月球岩石中提取水
為了了解月球上水的起源,摩根-納恩-馬丁內斯(Morgan Nunn Martinez,當時是加州大學聖地牙哥分校的研究生)從1969年阿波羅9號任務採集的月球岩石中提取了極少量的水。從岩石中提取水聽起來似乎不可思議,但透過”熱釋放”是可以做到的。 “熱釋放”過程是將月球樣本加熱到50、150 和1000 攝氏度。事實證明,這些岩石出奇地”濕潤”。
最低溫度釋放出的是輕度結合的水分子–這些分子透過微弱的吸引力附著在其他分子(這裡指月球岩石)上。在攝氏1000 度時,結合緊密的水分子被釋放出來,這些水分子更深地嵌入岩石中。
透過這個過程,氣體水分子被收集起來,然後經過淨化,只剩下氧氣。研究小組隨後測量了三種不同氧同位素的組成。
同位素是具有不同中子數的同種元素原子,中子數的變化會改變其質量–中子數越多,原子就越重。這些測量結果對於確定物質的來源和年代特別有用。
把它想像成太空法醫。人類有獨特的指紋,彗星和太陽等天體也有獨特的特徵。科學家可以透過氧同位素測量來確定水的來源。
月球水的起源: 數據揭示了什麼
他們的數據顯示,大部分月球水可能來自月球本身或彗星撞擊。與一般認為的相反,太陽風對月球儲水的貢獻並不大。
麥克斯韋爾-蒂門斯說:「這項研究的好處在於,我們使用了最先進的科學測量方法,它支持了關於月球水的常識性觀點–其中大部分水從一開始就存在,更多的水是由這些冰彗星撞擊增加的。 “
月亮與火星未來一瞥
雖然這不是論文的主要內容,但研究人員也測量了來自火星的樣本。如果美國國家航空暨太空總署的阿耳特彌斯計畫能夠成功實現人類在月球上的殖民,那麼這將預示著人類在火星上居住的最終使命。
馬克-蒂門斯(Mark Thiemens)說:「這種工作以前從未做過,我們認為它可以為美國宇航局提供一些關於月球上水的位置的有價值的線索。」阿耳特彌斯號的真正目標是前往火星。我們的研究表明,火星上的水可能至少和月球上的水一樣多,甚至更多。 “
當然,找到水只是第一步。要從月球岩石和土壤中提取足以維持生命的水,還需要進一步的技術進步和探索。
編譯自/ ScitechDaily