□ 國家天文臺 王 競

月球之水的新探測

□ 國家天文臺 王 競

月球之水的探測史

作為人類家園——地球的唯一一顆天然衛(wèi)星，月球一直受到科學(xué)家和公眾的廣泛關(guān)注。 這是因為對月球的探測和研究不僅有助于揭示行星形成和演化的謎團(tuán)，而且有助于人類對月球資源的開發(fā)和利用。正因為如此，從20世紀(jì)60年代以來，人類從未停止過對月球的探索。比較著名的探索月球的計劃有蘇聯(lián)的月球（Luna）計劃，美國的阿波羅計劃，以及中國的嫦娥計劃。

在眾多關(guān)于月球的問題中，人們最關(guān)注的是月球上是否存在水。除了在行星形成和演化中的重要地位，水還是生命存在的前提。然而，阿波羅計劃所得到的結(jié)果是令人失望的。對阿波羅計劃所采集的月球表面巖石和土壤的成分分析表明：和地球截然不同，月球表面很可能是極端干燥的?；谠缙诘耐ㄟ^實驗室加熱汽化的方法，研究人員無法判斷從阿波羅計劃所采集的月球表面土壤樣品中所釋放出的水是否真的來自月球，它們極有可能是來自地球環(huán)境對樣品的污染。在阿波羅16所采集的月面角礫巖中所發(fā)現(xiàn)的“鐵銹”成分FeO(OH)也不能排除是來自地球大氣對樣品的污染。

圖1 自古以來人類非常關(guān)注：美麗的月球上是否有水。

圖2 中國的探月計劃------嫦娥工程系列

轉(zhuǎn)機發(fā)生在2009年。印度的月船1號月球探測器（Chandrayaan-1）和歐空局的卡西尼（Cassini）計劃對月球的探測宣告人們必須改變這一保持了接近半個世紀(jì)的觀點。利用月表反射光光譜中水（羥基）分子在2.8和3微米處的吸收，印度/美國國家航空航天局聯(lián)合研制的月船號月球探測器-1/月球礦物地圖繪制(Chandrayaan-1/ Moon Mineralogy Mapper，M3)載荷和卡西尼（Cassini）上的紅外繪圖分光計(Infrared Mapping Spectrometer，VIMS)載荷分別獨立地宣布在月球表面的巖石中探測到了廣泛分布的水。這些水分子通過化學(xué)方式被牢牢吸附在巖石表面。

盡管實驗表明這些化學(xué)吸附的水分子在溫度低于500K時都是化學(xué)穩(wěn)定的，但是，理論上，這些水分子在月球表面可以通過微隕石轟擊、紫外光子受激脫附以及太陽風(fēng)高能質(zhì)子濺射的方式釋放出來。從月表巖石中逃離出來的水分子會駐留在月球表面的大氣層中。

圖3 月船號月球探測器-1/月球礦物地圖繪制(Chandrayaan-1/Moon Mineralogy Mapper，M3）載荷所探測的全月面水含量分布。藍(lán)色區(qū)域：存在OH/H2O 分子在3微米處的吸收。綠色區(qū)域：在2.4微米處反射的太陽輻射，紅色區(qū)域：含鐵輝石在2.4微米處的吸收。(圖取自Seince網(wǎng)站 )

月球外逸層

很長時間以來，人們就已經(jīng)知道，月球固體表面的上空并不是完全的真空。月球有一個極端稀薄的大氣，通常稱為外逸層。由于氣體密度極低，外逸層的一個特點是組成它的分子之間是無碰撞的。其極端稀薄的環(huán)境導(dǎo)致直到現(xiàn)在準(zhǔn)確確定月球外逸層的物理組成和化學(xué)成分在探測上都是一個挑戰(zhàn)。盡管如此，自從阿波羅計劃以來，人們就一直嘗試?yán)酶鞣N方法來確定月球外逸層的化學(xué)成分和組成。

月球外逸層的探測方法

圖4 月球表面阿波羅17號月球漫游車及科學(xué)儀器艙

從探測原理上來說，對月球外逸層的探測可以分為兩類。一類是通過直接記數(shù)的方法，獲得外逸層的氣體總體密度或者質(zhì)譜（不同質(zhì)量的原子或分子記數(shù)值）。通過分析同質(zhì)量的原子或分子記數(shù)值就可以直接確定外逸層的化學(xué)組成。這種方法雖然直接，但是一個缺點是有時很難排除探測器本身在空間環(huán)境中放氣的影響。由阿波羅12，14和15放置在月表的冷陰極真空計實驗（Cold Cathode Gauge Experiments，CCGEs)的探測結(jié)果顯示月球夜晚的外逸層密度為2×105cm-3，白天的密度可能不超2×107cm-3。 阿波羅17所攜帶的月球大氣組成實驗質(zhì)譜儀（Lunar Atmosphere Composition Experiment，LACE）則在月夜的外逸層中不可置疑地探測到了4He。

另外一類方法是通過對外逸層中原子/分子的受激輻射發(fā)射線的探測，利用已知的原子分子物理來反推出其中的物理組成和化學(xué)成分。外逸層中的分子會被來自太陽的紫外光電離和激發(fā)，處于高激發(fā)態(tài)的原子/分子會向低電離態(tài)躍遷，躍遷過程會在特定的波長上產(chǎn)生線輻射。通過分析安裝在阿波羅17號軌道艙的紫外光譜儀(Ultraviolet Spectrometer, UVS)以及哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的暗天體光譜儀(Hubble Space Telescope/Faint Object Spectrograph, HST/FOS)的光譜數(shù)據(jù)，科學(xué)家估計了外逸層中H、 O、C、N、S、Kr、Xe、H2、Mg、Mg離子，羥基以及CO分子等不同元素的密度上限。作為月球外逸層研究的一個重大突破, 人們利用地面高空間分辨率的長縫光譜準(zhǔn)確地測量了月球外逸層中Na和K的密度。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

作為人類首臺部署在地外天體平臺的全自動天文望遠(yuǎn)鏡，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡自然也可以利用外逸層中原子/分子的受激輻射來開展針對外逸層的探測。相比于之前提及的輻射探測而言，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以在月面針對外逸層開展就位測量，這大大提高了被探測信號的強度。

作為嫦娥三號任務(wù)探測器著陸器有效載荷之一，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡充分利用月球沒有大氣干擾和自轉(zhuǎn)緩慢的優(yōu)勢，完成地面所無法實現(xiàn)的天文觀測任務(wù)。在近紫外波段對幾類具有劇烈活動的天體的光變進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，開展在強引力場、強磁場條件下的天體物理過程、恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)等研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究工作。所開展的天文巡天觀測，將填補美國星系演化探險者(Galaxy Evolution Explorer, GALEX)衛(wèi)星在低銀道面的空白。自2013年12月16日首次開機以來，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已在月面順利工作一年多。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是由中國科學(xué)院國家天文臺和西安光機所合作研制。它主要工作在近紫外波段，由望遠(yuǎn)鏡主體、平面反射鏡轉(zhuǎn)臺以及焦面探測器組成（圖5）。望遠(yuǎn)鏡主體橫臥在著陸器艙內(nèi)固定不動，口徑15厘米，焦比3.75。其光學(xué)系統(tǒng)采用經(jīng)典的里奇-古雷季昂(Ritchey-Chretien)設(shè)計。二維的平面反射鏡轉(zhuǎn)臺位于望遠(yuǎn)鏡主體前方，通過控制反射鏡的轉(zhuǎn)動，就可以對準(zhǔn)目標(biāo)天體并實現(xiàn)跟蹤，將來自天體的紫外線導(dǎo)入望遠(yuǎn)鏡主體。焦面探測器采用紫外增強型CCD，有效像元數(shù)1024×1024。對應(yīng)的有效視場1.36×1.36平方度。該望遠(yuǎn)鏡具有：自動化程度高、重量輕、月面環(huán)境適應(yīng)性強的特點。在月面通過自主定標(biāo)可實現(xiàn)任意姿態(tài)望遠(yuǎn)鏡機架指向控制；國內(nèi)首次在具有空間環(huán)境適應(yīng)性的計算機單元上實現(xiàn)天文目標(biāo)的識別、匹配及提取；通過輕質(zhì)復(fù)合材料的選取以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)超輕量化（總重量13.6kg）；可在-20℃~40℃的溫度范圍內(nèi)不依賴調(diào)焦機構(gòu)滿足望遠(yuǎn)鏡工作要求。圖6是月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所拍攝的近紫外波段天空圖像。

圖5 月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡最終交付產(chǎn)品。左側(cè)為望遠(yuǎn)鏡主體，右側(cè)為反射鏡及轉(zhuǎn)臺。紅色部分為覆蓋物，以防止運輸過程中地球大氣環(huán)境對鏡面的污染，發(fā)射前摘除。

圖6 月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所拍攝的天體紫外波段圖像。

探測月球之水的新成果

圖7 月球與水的藝術(shù)想象圖

受到太陽紫外光子輻照的作用，外逸層中的羥基分子在3087?有一個共振散射發(fā)射帶。它的波長正好落在月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的探測帶寬內(nèi)，這意味著我們能夠利用月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝的月面天空背景輻射來反演出外逸層中羥基分子的含量。

考慮到能源供給問題，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能在月球的“白天”觀測。因為月球上沒有類似地球的濃密大氣，所以即使是在“白天”，在月球上看到的天空背景也是漆黑的。即便如此，“白天”所帶來的一個嚴(yán)重影響是太陽光照射到月表或者著陸器的散射光會在月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡焦面形成雜散光。容易想象出，太陽高度角越高，雜散光的影響越嚴(yán)重。由于雜散光的影響不能完全排除和分離出來，這意味著利用背景輻射的探測原理來反推算出外逸層中羥基分子的含量時，越低的背景輻射強度能給出越低的羥基分子含量的上限。

為了實現(xiàn)這一科學(xué)探測，研究人員一直在等待合適的觀測條件出現(xiàn)。終于，機會發(fā)生在2014年的4月10日和6月8日，而且科研人員成功地抓住了這一機會。在這兩天，剛休眠度過了漫長寒冷的著陸器被提前自動喚醒，這時太陽高度角并不是很高，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該完全落在著陸器的陰影中。利用在這兩天所獲得的數(shù)據(jù)，在計算并排除了黃道光的貢獻(xiàn)，并假設(shè)天空背景完全是由羥基分子的共振發(fā)射所貢獻(xiàn)后（圖像背景中含有無法完全分離的雜散光的貢獻(xiàn)），國家天文臺月基天文望遠(yuǎn)鏡項目組在探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下獲得了迄今為止人類所獲得的月球外逸層中羥基密度的最低上限值：柱密度不高于1011cm-2，體密度不高于104cm-3。該研究結(jié)果發(fā)表在國際SCI期刊《行星與空間科學(xué)》（Planetary and Space Science）上。

月基天文望遠(yuǎn)鏡所得結(jié)果是人類迄今為止在這一領(lǐng)域所獲得的最好結(jié)果，是利用美國哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)獲得的上限值的將近1/100，自然否定了印度和美國聯(lián)合研制的月船1號月球探測器/錢德拉海拔成分探測器(ChandrayannI/Chandra's Altitudinal Composition Explorer, CHACE)的結(jié)果（見表格1），而且與質(zhì)子濺射理論的預(yù)期大致相符。

表格1：

（責(zé)任編輯 張長喜）