尋找月球上的水資源?

人類嘗試在月球上尋找水已經有數十年的時間。過去嘗試將月球上的岩石樣本帶回地球分析、後來也使用光譜分析來研究月球表面的成分。過去雖然也有數次宣稱找到水分子的研究,但總是有一些未令人信服之處。這次在飛機上的天文望遠鏡SOFIA藉由月球在波長為6微米(紅外光)的觀測成果,印證了過去仍有不足的觀測結果。因此我們更可以確信月球上真的藏有水分子。甚至還是在陽光照射、被認為水分子無法穩定存在的地方。至於這些水分子如何產生、能不能被我們所使用,則需要更多的研究。

圖片來源: NASA/Daniel Rutter [1]
撰文/許世穎

●月球上到底有沒有水?

生命的存在有很多的因素,其中一個關鍵就是「水」的存在。我們一般相信,如果一個環境能有液態水的存在,將會大幅度的增加生命存在的機率。而就在我們身邊、常相左右的月球,很自然地成為我們尋找太空中水資源的熱門地點。

要知道月球上面究竟有沒有蘊藏水,最直接的方法就是將月球上面的岩石帶回地球分析。最早關於月球上水的紀錄可以追溯到20世紀中期的阿波羅計畫(Apollo Program)[2] [3],這個大計畫包含了一系列針對月球的研究,最著名的一項成就是在1969年,阿波羅11號中讓人類首次登陸了月球。既然人都去到月球了,任務之一當然就是將月球上的岩石樣本帶回地球。當時從帶回來的月岩中就已經發現了水。然而由於裝封月岩樣本的容器有洩漏,無法分辨這些水分子究竟是月球原裝進口,還是來到地球之後才混進去的 [4],無法作為月球上有水的直接證據。後來在1976年蘇聯的Luna 24的月球計畫中,也宣稱在帶回來的月岩樣本裡發現了水分子,或許也是因為遭受地球污染的可能性,因此沒有獲得重視。

將月岩帶回地球分析雖然直接,但是成本卻相當高。如果能藉由太空望遠鏡、或地球上的望遠鏡做遠距觀測的話,就相對方便許多,天文界常用的「光譜分析」就派上用場啦!光譜是將收到的光依據頻率/波長分離開來的圖。太陽光的光譜是連續的,就像彩虹一樣,各種顏色、波長的光都有。當太陽光經過低溫的分子時,分子會吸收特定波長的光,而在光譜上形成暗線,稱為吸收譜線。舉例來說,氫原子會的譜線出現在410、434、486、656奈米...等波長。如果能夠一次看到這些波長都出現譜線的話,就代表成分中極有可能含有氫原子(如圖1)。想要知道月球上有沒有水分子,可以觀測太陽照射月球表面反射的光來做光譜分析,看看有沒有水分子所擁有的譜線。

圖1:連續光譜與吸收譜線範例:氫原子吸收譜線。[5]

自阿波羅計畫後,有些實驗宣稱在月球上藉由光譜分析偵測到水的蹤跡,例如:前往彗星的深度撞擊號(Deep Impact)、前往土星的卡西尼-惠更斯號(Cassini–Huygens)在旅途中經過月球時所做的觀測。但真正受到大眾矚目的是2009年印度的月球飛船1號(Chandrayaan-1)。這架太空梭搭載了一個衝擊探測器。在這個衝擊探測器的下降過程中,發現月球表面薄薄的大氣中有著羥基的吸收譜線。羥基(O-H)是水結構(H-O-H)的一部分,偵測到羥基代表成分中很可能有水。月球飛船1號另外還有一台光譜儀M3(全名為Moon Minerology Mapper,月球礦物學製圖儀),能對月球表面進行大面積的光譜分析。圖像顯示在月球兩極極區永久陰影處的土壤竟有著大面積的羥基 [6](如圖2)。可惜的是,這些觀測全部都是在3微米的波段,看到的都是羥基,無法直接證明是「水分子」,還是其他的「含羥基的化合物」[7] 。

圖2::2009年月球飛船1號(Chandrayaan-1)所搭載的M3光譜儀所觀測到的結果。灰階呈現月球表面的溫度,藍色則呈現觀測到的冰層。圖片來源:NASA

●飛機上的望遠鏡「SOFIA」證實了月球上水分子的存在

SOFIA全名為Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy(同溫層紅外線天文台),是目前運行中唯一一座建蓋在飛機上、並在同溫層(即平流層)飛行、進行天文觀測的空載型天文望遠鏡(延伸閱讀:待在同溫層的天文望遠鏡--SOFIA)。最近SOFIA對月球的觀測成果證實了在克拉維斯環形山(Clavius Crater,見特色圖片、圖3)有水的存在,該研究刊登於期刊 Nature Astronomy [8] 。

圖3:克拉維斯環形山(Clavius Crater)近照。圖片來源:NASA

SOFIA使用的方法也是光譜分析。跟之前的不同的地方是,過去觀測到羥基的波段是3微米,而SOFIA所使用的是6微米。在6微米有條譜線是由氫-氧-氫(H-O-H)的原子組合擺動震盪所產生,恰好就是水分子的結構。而在3微米的地方則是一般的羥基(O-H)[9] 。也就是說,如果這些含有羥基的成份是水分子的話,則在3微米、6微米的地方都會看到譜線,而不會只在3微米的波長出現。其他的月球探測人造衛星不包含6微米的波段、無法觀測。而波長6微米的光也無法穿透大氣層、無法用地面上的望遠鏡觀測。只有像SOFIA這樣在同溫層飛行才能大幅度漸少大氣的影響。這次SOFIA就是在6微米的波長看到了譜線。在做了一些其他的比較之後,得出了發現水分子的結論。關於這個研究成果更多的介紹可以參考YouTube上官方公布的影片 [10]。

這次的發現也帶來了更多的問題:這些水分子從何而來?這次觀測到的水分子是在陽光照射的區域所發現的。就一般的理解來說,由於這個地區直接曝曬陽光,水分子會被太陽光照射而分解、流失在太空中。或許月球上有其他水分子的來源?可能是小隕石直接帶來的,也可能是由氫原子另外經由化學反應生成 [1]。

另一個問題是:這些水分子是否可以利用?將物資運送上太空相當昂貴,現在的太空人所飲用的水仰賴太空中的淨化器材。如果能夠在月球上就地取得水源的話,對於未來人類登陸月球會很有幫助。以太空環境的角度來說,這次雖然是發現了「大量」的水,但事實上據估計比撒哈拉沙漠還要乾涸100倍。能否做為以後太空人上看所利用的資源則需要更多的研究。

 

參考資料:

  1. NASA/NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon
  2. wiki/Apollo program
  3. wiki/Lunar water
  4. space/It's Official: Water Found on the Moon
  5. astronomy know how/Absorption and Emission Spectra
  6. M. Pieters et al., “Character and Spatial Distribution of OH/H2O on the Surface of the Moon Seen by M3 on Chandrayaan-1”, Science, 2009
  7. Chandrayaan-1 / Moon Impact Probe
  8. I. Honniball et al., “Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA”, Nature Astronomy (2020)
  9. Scientists Just Reported The First Unambiguous Detection of Water on The Moon
  10. Youtube/SOFIA Discovers Water on a Sunlit Surface of the Moon
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