尋找月球上的水資源？

2020 年 12 月 15 日2020 年 12 月 21 日 CASE PRESS SOFIA, 月球, 水

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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。

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。

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] 。

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：

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