酝酿数十年的发现：隐藏在月球极地陨石坑阴影中的表面冰

一位艺术家为印度空间研究组织的月船一号月球探测器制作的效果图，该探测器于2008年至2009年在月球上运行。美国国家航空和宇宙航行局月球矿物学制图仪的最新数据分析显示，该探测器在月球两极附近的暗环形山中发现了水冰外露的证据。

月亮是一个干涸、荒凉的世界这种观点有可能是大错特错的。

印度空间研究组织(Indian Space Research Organization)的“月船一号”(Chandrayaan 1 orbiter)卫星从2008年至2009年在月球上运行，最近研究人员对其数据进行了新的分析，发现了月球表面有固态冰的确凿证据。美国国家航空和宇宙航行局的月球矿物制图仪(M3)在印度探测器上收集了这些数据，这些数据证实了早期任务中存在的广泛但试验性的证据，这些证据暗示了月球两极永久阴影环形山中的水冰沉积物的存在。这样的沉积物在未来可能会被载人月球前哨任务所利用，同时也会向人们解释月球以往不为人所知的历史。这项研究结果发表在8月20日出版的《美国国家科学院院刊》上。

根据M3对月球两极及其周围的水冰近红外吸收特征的测量，研究人员得出结论，这些冰只暴露在陨石坑阴影区域的3.5%左右，并与大量的月球尘埃混合在一起。这种稀疏的覆盖率和异质性表明，这种月球冰的历史与在其他无气岩石星球(如水星和矮行星谷神星)发现的类似沉积物有着本质上的不同，在那些地方，永久阴影环形山中的水冰数量更多，也更纯净。

这是一项正在酝酿数十年的发现

“在我们的工作之前，没有直接的证据表明月球表面有暴露在外的水冰，”第一作者Shuai Li说，他是夏威夷大学的行星科学家。几十年来，从地球到月球极地地区的雷达扫描和绕月飞船的扫描都得到了模棱两可的结果。同样，NASA现在仍在绕月轨道飞行的月球勘测轨道飞行器上携带的仪器也不能直接、确切地探测到水冰的存在，他说。他指出，其实过去许多声称月球上有“水”的说法只是在月球表面发现了富含氢的干燥矿物质而已。

同样，Shuai补充说，虽然美国宇航局月球陨坑观测和遥感卫星(LCROSS)任务在2009年也发现了月球上有水的迹象，但当它发送探测器撞击永久遮挡区域月球南极附近的Cabeus环形山时，却发现水并不以表面冰的形式存在。“LCROSS是一个伟大的任务....然而，这个任务得出的地表冰暴露结论是基于模型的;这是间接的。而且，月球南极地区只有一个数据点。相比之下，他指出，M3数据中“非常独特”的水光谱特征能毫无疑问地证明，在月球极地地区的陨石坑地面上存在着暴露在外的冰。

伦敦大学伯克贝克分校的行星科学家伊恩•克劳福德(Ian Crawford)没有参与这项研究，但他说:“在我看来，研究结果似乎很有说服力。”

Shuai和其他研究人员说，既然这些沉积物已经在月球表面被发现，它们就可以更容易地用于未来的对月球的勘探和维持人类前哨任务。冰可以被融化和蒸馏来提供饮用水，也可以被分解成氢和氧来产生可呼吸的空气和火箭推进燃料。

疑是地上霜还是冰山一角?

然而，在这些水被用于勘探任务之前，大多数科学家更向知道那里到底有多少水，以及它们当初是如何到达那里的。

美国宇航局艾姆斯研究中心的LCROSS首席研究员安东尼·科拉普雷特说，冰的不均匀分布是决定其历史的关键。科拉普雷特说:“假设这不是一种测量效应，这就告诉我，这些水冰块与水流、持续的水源形成的不一样。”一个更统一的分布——就像在水星两极的陨石坑中发现的冰那样——可能表明冰是由富含水的彗星或小行星的周期性撞击提供的。

但是，如果月球的极地冰不是最近定期发生的地质撞击事件的产物，那么它从何而来呢?科拉普雷特说:“有一种可能性是它来自一个古老的水库。”他指的是月球45亿年历史的早期阶段，那时火山喷发和巨大的撞击可能曾短暂地给月球造成温暖潮湿的大气。过去那个时代遗留下来的任何水冰沉积物，都可以通过随后的撞击和太阳辐射，被挖掘、混合、扩散到地表及其周围。

在这篇论文中，Shuai和他的合著者指出，冰的不规则分布可能是由于一种被称为“真极漂移”的假设现象，即月球自转轴的方向会在很长一段时间内发生变化。在这种情况下，暴露在外的表面冰，将会因为地质时期内月球极地漂移引起的陨石坑阳光情况变化而改变其分布。

由于对月球表面冰起源的不确定以及M3观测的性质有限，科拉普雷特认为，目前还不知道月球极地中还潜伏着多少水。“在(M3的)波长范围内，我们只取样前10微米左右的水，因此水有可能是只有100微米厚的霜或薄片，或者也有可能是‘冰山一角’。”

克劳福德说，现在需要的是来自低轨道卫星的更高分辨率的测绘，它可以使用中子光谱法来观察地表以下的情况，或者更好，依靠登月机器人着陆器来获取样本。

一个团体相信了

“当Shuai Li第一次描述他想用M3数据研究什么时，我认为他疯了，”布朗大学的行星科学家、M3仪器的首席研究员Carle Pieters说。她说，尽管Shuai的工作背后的概念是合理的，但许多研究人员已经放弃了在M3数据中寻找水冰，因为对于月球极地大部分的阴影区域来说，它的质量相对较差。但Shuai和他的团队通过开发多个独立的统计测试来解决这个问题，以证明数据中关于水冰的迹象是真实的，而不是巧合。

“这些年来，我学会了一个道理。那就是不会对一个聪明且热情的年轻科学家说有些真的很难实现的事情是不可能实现的。”虽然这样的事情通常确实是不可能的，但有时——就像现在这样——我很高兴我感到惊讶。“他们确实让我相信在月球极地阴影中存在水冰。”