重磅！我國科學(xué)家在月壤中首次發(fā)現(xiàn)分子水

每經(jīng)編輯 張錦河    

據(jù)央視新聞，記者今天（23日）從中國科學(xué)院物理研究所獲悉，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員陳小龍、副研究員金士鋒、博士研究生郝木難等，聯(lián)合北京科技大學(xué)副教授郭中楠、天津大學(xué)工程師殷博昊、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所研究員馬云麒、鄭州大學(xué)工程師鄧麗君等，在嫦娥五號帶回的月球樣本中，發(fā)現(xiàn)了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1。這標志著科學(xué)家首次在月壤中發(fā)現(xiàn)了分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式。該研究成果近日在學(xué)術(shù)期刊《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）在線發(fā)表。

月球上是否存在水，對于月球演化研究和資源開發(fā)至關(guān)重要。對1969年至1972年采集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發(fā)現(xiàn)任何含水礦物。此后，月球不含水成為月球科學(xué)的基本假設(shè)，這對認識月球火山演化、月地起源等問題產(chǎn)生了重要影響。1994年，研究人員通過克萊門汀探測器對月球兩極進行觀測，提出極區(qū)永久陰影區(qū)的月壤中可能存在水冰。2009年，月船一號搭載的月球礦物繪圖光譜儀發(fā)現(xiàn)，月球表面存在太陽風導(dǎo)致的羥基和/或水分子信號。同年，月球觀測和傳感衛(wèi)星以2.5公里/秒的速度撞擊了月球永久陰影區(qū)，而對撞擊塵埃的遙感測量顯示了水的信號。近年來，遙感數(shù)據(jù)表明月球光照區(qū)有水分子存在的跡象。針對當年采集的阿波羅月球樣品，科學(xué)家運用高靈敏度的表征技術(shù)，在部分玻璃和礦物中發(fā)現(xiàn)了百萬分之一量級的“水”（H⁺、OH^-或H₂O），但沒有水分子存在的確鑿證據(jù)。

富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1和成分組成

我國嫦娥5號采集的月壤樣品屬于最年輕的玄武巖，是迄今為止緯度最高的月球樣品，為月球水的研究提供了新機遇。我國科研人員開展的這項研究基于單晶衍射和化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，這些月球水和銨以一種成分為（NH₄,K,Cs,Rb）MgCl₃·6H₂O的水合礦物形式出現(xiàn)。該礦物分子式中含有多達六個結(jié)晶水，水分子在樣品中的質(zhì)量比高達41%。紅外光譜和拉曼光譜上均可以清晰地觀察到源于水分子和銨的特征振動峰。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫。ULM-1的晶體結(jié)構(gòu)和組成與地球上近年來發(fā)現(xiàn)的一種稀有火山口礦物相似。地球上，該礦物是由熱玄武巖與富含水和氨的火山氣體相互作用形成。這為月球上的水和氨的來源提供了新線索。

為了確保這一發(fā)現(xiàn)的準確性，該研究進行了嚴格的化學(xué)和氯同位素分析。納米二次離子質(zhì)譜數(shù)據(jù)表明，該礦物的Cl同位素組成和地球礦物顯著不同，與月球上的礦物相符。研究人員對該礦物化學(xué)成分和形成條件進行分析，進一步排除了地球污染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。該六水礦物的存在為月球火山氣體的組成給出了重要的約束。熱力學(xué)分析顯示，當時月球火山氣體中水的含量下限與目前地球中最為干燥的倫蓋火山相當。這揭示了復(fù)雜的月球火山脫氣歷史，對探討月球的演化過程具有重要意義。

這種水合礦物的發(fā)現(xiàn)揭示了月球上水分子可能存在的一種形式——水合鹽。與易揮發(fā)的水冰不同，這種水合物在月球高維度地區(qū)（嫦娥5號采樣點）非常穩(wěn)定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區(qū)，也可能存在這種穩(wěn)定的水合鹽。這為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。

新華社此前報道，北京時間2022年6月15日，《自然通訊》（Nature Communications）在線發(fā)布我國嫦娥五號的一項重要研究成果。中國科學(xué)院國家天文臺李春來、劉建軍研究員和上海技術(shù)物理研究所舒嶸研究員領(lǐng)導(dǎo)的團隊，與中科院地質(zhì)地球所、物理所、西安光機所、地球化學(xué)所，北京空間飛行器總體設(shè)計部、北京航天飛行控制中心、北京空間機電研究所等單位合作，在國際上首次聯(lián)合月球樣品的實驗室分析結(jié)果和月表就位探測的光譜數(shù)據(jù)，檢驗了月球樣品中水的有無、形式和多少，回答了嫦娥五號著陸區(qū)水的分布特征和來源問題，為遙感探測數(shù)據(jù)中水的信號解譯和估算提供了地面真值。

月球有沒有水、有多少水、是什么形式的水、水來自哪里存在著很大的爭議，一直是月球科學(xué)的研究熱點。在嫦娥五號任務(wù)立項論證之初，研究團隊提出將著陸器上的月球礦物光譜分析儀光譜范圍拓展到了3.2μm，并實現(xiàn)了國際上首次月表水光譜吸收特征的就位探測。為了避免發(fā)動機羽流和太陽風轟擊月表時的動態(tài)“水”（羥基OH）給就位光譜分析帶來的影響，研究團隊對獲取就位探測光譜數(shù)據(jù)的時機進行了精心設(shè)計。探測時機選擇在著陸6小時后以避免CE-5探測器著陸時發(fā)動機羽流成分的影響；探測時間選擇在月面溫度最高（約62~87攝氏度）的（接近）正午，最大限度地揮發(fā)了月表的動態(tài)“水”；光譜測量時月球（著陸區(qū)）正處于地球磁場的保護中，屏蔽了太陽風，避免了太陽風轟擊產(chǎn)生的動態(tài)“水”（羥基OH）的因素。在這種環(huán)境下嫦娥五號光譜儀能夠獲得“干凈”的“水”吸收光譜，經(jīng)嚴格的校正處理和分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)嫦娥五號著陸區(qū)月壤中明顯地含有羥基形式的“水”，但平均含量較低，僅約30ppm。

目前認為月球“水”的來源主要有三種可能：一是太陽風粒子與月表物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的（動態(tài)）羥基物質(zhì)；二是撞擊月球的彗星或隕石帶來的水和含羥基物質(zhì)；三是月球原生（內(nèi)部）水。月球樣品返回地球后，研究團隊在實驗室對返回月球樣品進行了系統(tǒng)分析，實驗室光譜分析再次驗證了羥基水的明確存在，但“水”的存在形式、含量和來源的研究，需要詳細的礦物巖石學(xué)分析。阿波羅月球樣品研究認為，月壤中（撞擊）膠結(jié)玻璃包含了太陽風長期注入形成的羥基物質(zhì)，膠結(jié)玻璃的含量是影響月球樣品中“水”含量的重要因素。返回樣品的實驗室分析表明，嫦娥五號月球樣品是一類年輕玄武巖，膠結(jié)玻璃含量很少（不足16%），僅為Apollo 11月球樣品的1/3，由此估算嫦娥五號月壤樣品中來自太陽風注入膠結(jié)玻璃形成的“水”不多于18ppm。同時，嫦娥五號著陸區(qū)月壤樣品中外來撞擊濺射物非常低，對“水”的貢獻可以忽略。因此嫦娥五號月壤樣品中肯定存在來源于月球內(nèi)部的原生水。對嫦娥五號月球樣品的實驗室分析，發(fā)現(xiàn)了至少一種含水礦物——羥基磷灰石，其含量不均勻，折合樣品羥基水的含量從0ppm到179ppm不等（平均約17ppm），證明了嫦娥五號月壤樣品中存在來自巖漿結(jié)晶過程的“水”，說明“水”在月球晚期巖漿活動過程中不僅存在，而且可能起到了非常重要的作用。

每日經(jīng)濟新聞綜合自央視新聞、新華社