美国宇航局的机载天文台在月球阳光照射的表面发现了水

克拉维乌斯环形山

这张插图突出了月球克拉维乌斯环形山,其中的插图描绘了月球土壤中存在的水,以及美国宇航局的红外平流层天文台(SOFIA)发现的阳光照射下的月球水的图像。来源:美国国家航空航天局

美国国家航空航天局天文台的平流层红外天文天文台(索菲亚)首次证实了月球在阳光照射下表面存在水。这一发现表明,水可能分布在整个月球表面,而不限于寒冷、阴影的地方。

SOFIA在月球南半球的克拉维乌斯环形山(Clavius Crater)探测到了水分子(H2O)。克拉维乌斯环形山是地球上可见的最大环形山之一。此前对月球表面的观测发现了某种形式的氢,但无法区分水和它的近化学亲戚羟基(OH)。这个位置的数据显示,月球表面一立方米的土壤中含有100 - 412百万分之一的水,大约相当于一瓶12盎司的水。研究结果发表在最新一期的自然天文学

“我们有迹象表明,水——我们所知道的熟悉的水——可能存在于月球阳光照射的那一面,”保罗·赫兹说,他是位于华盛顿的NASA总部科学任务理事会天体物理学部门的主任。“现在我们知道它就在那里。这一发现挑战了我们对月球表面的理解,并提出了有关深空探索资源的有趣问题。”

相比之下,撒哈拉沙漠的水量是索菲亚在月球土壤中探测到的水量的100倍。尽管数量很少,但这一发现提出了新的问题,即水是如何产生的,以及水是如何在严酷、没有空气的月球表面上持续存在的。

水是太空深处的宝贵资源,也是我们所知的生命的关键成分。索菲亚发现的水是否容易获得作为资源使用仍有待确定。在美国国家航空航天局(NASA)的阿耳特弥斯(Artemis)项目中,该机构渴望在2024年将首位女性和下一位男性送上月球表面之前,尽可能了解月球上是否存在水,并在本世纪末建立一个可持续的人类存在。

SOFIA的结果建立在多年前对月球上是否存在水的研究之上。1969年阿波罗号宇航员第一次从月球返回时,月球被认为是完全干燥的。过去20年的轨道和撞击任务,如美国宇航局的月球陨石坑观测和遥感卫星,证实了在月球两极周围永久阴影的陨石坑中存在冰。与此同时,一些宇宙飞船——包括卡西尼号印度太空研究组织(Indian Space Research Organization)的月船1号(Chandrayaan-1)任务以及美国宇航局(NASA)的地面红外望远镜设施,对月球表面进行了广泛的观察,发现了在阳光充足的地区存在水合作用的证据。然而,这些任务无法明确区分它的存在形式——水或羟基。

“在SOFIA观测之前,我们知道存在某种水合作用,”凯西·霍尼博尔(Casey Honniball)说。她是夏威夷大学(University of Hawaii)的主要作者,在檀香山的Mānoa网站发表了她的毕业论文研究结果。“但我们不知道到底有多少水分子——就像我们每天喝的那样——或者更像是下水道清洁剂。”


科学家们在飞机上使用NASA的望远镜,平流层红外天文观测站,首次在月球阳光照射的表面发现了水。SOFIA是一架经过改装的波音747SP飞机,它可以让天文学家以地面望远镜无法实现的方式研究太阳系及其外。科学家在克拉维乌斯环形山(Clavius Crater)发现了分子水,克拉维乌斯环形山是地球上可见的位于月球南半球的最大环形山之一。这一发现表明,水可能分布在整个月球表面,而不限于寒冷、阴影的地方。图片来源:美国宇航局/艾姆斯研究中心

索菲亚提供了一种观察月球的新方法。这架经过改装的波音747SP喷气式飞机飞行在45000英尺的高空,配备了直径106英寸的望远镜,可以到达地球大气中99%以上的水蒸气,以获得更清晰的红外宇宙视野。利用SOFIA望远镜上的微弱物体红外摄像机(cast), SOFIA能够捕捉到水分子特有的6.1微米波长,并在阳光充足的克拉维乌斯陨石坑中发现了相对惊人的浓度。

“如果没有厚厚的大气层,月球表面阳光照射下的水就会消失在太空中,”Honniball说,他现在是马里兰州Greenbelt的NASA戈达德太空飞行中心的博士后研究员。“但不知何故,我们看到了它。一定有什么东西在产生水,一定有什么东西把水困在那里。”

在这种水的输送或产生过程中,可能有几种力量在起作用。携带少量水的微陨石如雨点般落在月球表面,可能会在撞击时将水沉积在月球表面。另一种可能性是,可能存在一个两步过程,即太阳的太阳风将氢传送到月球表面,并与土壤中的含氧矿物发生化学反应,生成羟基。与此同时,来自微陨石轰击的辐射可能会将羟基转化为水。

这些水是如何被储存起来的,这也引发了一些有趣的问题。这些水可能被困在由微陨石撞击产生的高热形成的土壤中的微小珠状结构中。另一种可能性是,水可能隐藏在月球土壤颗粒之间,不受阳光照射,这可能使它比珠状结构中的水更容易获取。

对于一项旨在观测黑洞、星团和星系等遥远、昏暗物体的任务来说,SOFIA将聚光灯对准地球最近、最亮的邻居是一种不同寻常的做法。望远镜操作人员通常使用引导摄像机来跟踪恒星,使望远镜稳定锁定在观测目标上。但月球离我们如此之近且如此明亮,以致于它占据了引导相机的整个视野。由于看不到星星,尚不清楚该望远镜能否可靠地跟踪月球。为了确定这一点,2018年8月,运营商决定进行测试观察。

“事实上,这是索菲亚第一次观察月球,我们甚至不完全确定我们是否能获得可靠的数据,但关于月球上的水的问题迫使我们尝试,”NASA位于加州硅谷的艾姆斯研究中心索菲亚项目科学家Naseem Rangwala说。“令人难以置信的是,这个发现实际上是一个测试,现在我们知道我们可以做到这一点,我们计划进行更多的飞行,做更多的观察。”

索菲亚的后续飞行将在其他有阳光照射的地点和不同月相寻找水,以了解更多关于水是如何在月球上产生、储存和移动的。这些数据将增加未来月球任务的工作,如美国宇航局的挥发物极地探索漫游者(VIPER),以创建第一张月球水资源地图,为未来的人类太空探索。

在同一期的自然天文学在美国,科学家们利用理论模型和美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter)数据发表了一篇论文,指出水可能被困在温度保持在冰点以下的小阴影中,覆盖在月球的更多地方,比目前预期的要多。结果可以找到在这里

美国国家航空航天局人类探索和行动任务理事会的首席探索科学家雅各布·布利切尔说:“无论是对科学目的还是对我们的探险家来说,水都是一种宝贵的资源。”“如果我们能利用月球上的资源,那么我们就能携带更少的水和更多的设备,帮助实现新的科学发现。”

参考文献:C. I. Honniball, P. G. Lucey, S. Li, S. Shenoy, T. M. Orlando, C. A. Hibbitts, D. M. Hurley和W. M. Farrell, 2020年10月26日,自然天文学
DOI: 10.1038 / s41550 - 020 - 01222 - x

SOFIA是美国宇航局和德国航天中心的一个联合项目。Ames与总部位于马里兰州哥伦比亚的大学空间研究协会和斯图加特大学的德国索菲亚研究所合作管理SOFIA项目、科学和任务操作。这架飞机由位于加州棕榈谷的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心703号楼维护和操作。

2的评论美国宇航局机载天文台在月球阳光照射的表面发现了水

  1. 这很有趣,但并不奇怪,因为水在宇宙中相当丰富。
    它与超级研磨玻璃混合在一起,从月球上看到它在任何规模上都是可用的,不要屏住呼吸。要从月球的土壤和岩石中开采大量的水,需要耗费太多的能量和机器。这永远不会发生。只要防止它结冰,防止所有管道和容器破裂,就会是个大问题。在漫长的月亮之夜,它只比绝对零度高几度。
    在月球上生存比好莱坞电影让你相信的要困难得多。你可以忘记火星。

  2. Solenergi finns det gott om, vatten finns, m a o väte。Så även lagringsbar energi finns det。

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