周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏
周三 · 视频天象|周四 · 观测指南
周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索
编译：蔡贺菁
校对：王婧彧 申振宇
审阅：李宜骅
美编：毫秒
原文链接：https://www.astronomy.com/space-exploration/were-poised-for-a-lunar-gold-rush
月球上的“淘金热”
宇航员勘测陨石坑底部，为附近干渴的月球前哨站寻找水源。来源：迈克尔-卡罗尔
1848 年 1 月一个寒冷的早晨，詹姆斯-马歇尔正忙于在加利福尼亚北部建造一座木材厂，以加工运往附近萨克拉门托和旧金山城镇的木材。但在木材厂的出料口，马歇尔瞥见了一些闪闪发光的鹅卵石。经过仔细观察，马歇尔意识到他在 “那些山 ”中发现了黄金。他的偶然发现标志着著名的加州淘金热拉开了序幕。
加州淘金热凸显了在一个受限的地区拥有丰富的宝贵资源会出现的情况。现在，月球南极正在掀起一场新的 “淘金热”。这不是一场寻找黄金或者白银的竞赛，而是寻找对月球访客来说更为珍贵的东西——水。
水是关键
世界上从事航天事业的国家计划在月球南极聚集，以利用这一宝贵的自然资源。许多国家将以《阿耳忒弥斯协议》为合作指南。虽然有些国家可能是为了国家声誉或 “赚钱 ”而来，有些国家则是为了增加人类的知识而来，但对所有人来说，水都是关键。
水是一种便携的化合物：它可以被分离成供呼吸的氧原子和供燃料的氢原子。当你把它重新组合在一起时，甚至可以发电。而如果你一开始就不把它分开，你就可以把它喝掉。但是，在严酷的月球真空环境下，水的唯一存在形式要么是被锁在巨石和石头的矿物质中而很难接触到，要么就是坚硬的冰。在一个月日的白天所接受的热量下，比如在阿波罗宇航员所经受的酷暑下，水几乎没有什么机会存在。
但在极地，情况就不同了。
永久的阴影
在太空时代之前，人们认为月球上似乎是不可能有水的。但早在 1961 年，一些研究人员就推测，月球两极有遮挡的环形山可能会形成冷阱。在-175º C（-285º F）的温度下，彗星和小行星撞击产生的水蒸气会聚集并留在这些所谓的永久阴影区（Permanently Shadowed Regions， PSRs）中。虽然许多卫星都有很深的陨石坑和裂缝，但阳光会照射到大多数卫星的底部，从而破坏可能藏匿在那里的任何挥发物。月球是个例外：虽然地球的自转倾斜了大约 23.5º，但月球的轴线几乎是垂直的（1.5º），这意味着在月球两极，太阳在接近地平线的地方旋转。这使得最深的陨石坑底部长期处于阴影之中，这正是 1961 年的研究人员所设想的地方。
1991年，科学家们在太空中发现了水冰的痕迹，但不是来自月球，而是来自水星。JPL/加州理工学院的一个小组利用金石雷达的 70 米巨型天线，向水星表面发射了雷达。雷达反射的信号表明，这个小星球的两极有冰，它有几个很深的陨石坑，坑底长期被阴影笼罩。
从月球轨道上进行的一系列更详细的测量发现，在两极永久阴影区中有大量水的迹象。但是，这些空洞的阴暗处是否隐藏着水冰呢？月球勘测轨道器（LRO）开始得到更多关于水的答案。NASA精密的月球测绘仪发现，许多环形山的底部和边缘都渗出了氢气——这是隐藏水冰的明显标志。LRO 的灵敏度足以利用恒星发出的光和紫外线看到陨石坑的阴影区域。在南极附近，该仪器探测到了水霜。最后，LCROSS 任务向 Cabeus 环形山的边缘发射了一枚射弹，在直接飞过碎片羽流时发现了水。
在这幅月球勘测轨道飞行器拍摄的照片中，马拉佩特山丘平缓的山顶耸立在左下方，在未来的几十年里，这个地区可能会变得非常繁忙。圆顶的山顶——永恒之光的 “驼峰”——高约16400英尺（5000米）。
来源：月球勘测轨道器图片由 NASA/GSFC/亚利桑那州立大学提供
供给和需求
阿耳特弥斯号登月任务规划人员面临的一个问题是，宇航员需要多少水，而现有的水又有多少。为了补充生命支持系统，钻井取水可能就足够了。但要支持一个有十几个居民的月球基地，可能需要进行大规模的采矿作业。最好的解决办法是找到富集的水矿床，而这些水矿床很可能就在该地区一些较小的陨石坑底部。
除了这些永久阴影区永久阴影区中的水之外，南部 “荒野 ”还具有另一个优势：长时间的太阳光照射，可以提供电力。由于月球的倾斜度较低，太阳几乎全年都能在两极可见。19 世纪的天文学家威廉-比尔、约翰-冯-马德勒和卡米耶-弗拉马利翁提出，月球的一些高地构成了 “永恒之光的山峰”。
沙克尔顿地区（包括马拉佩特环形山和山丘）很可能存在冰层，而且日照时间较长，可用于太阳能发电，因此该地区已成为下一次载人登月的最终候选地。邻近的南极-艾特肯盆地和沙克尔顿环形山附近的地区可能会在迄今为止的任何月球任务中获得最大的科学回报。
月球地质学家克莱夫-尼尔说，沙克尔顿环形山本身潜入地下的深度是美国西部大峡谷的三倍，它的内部可能太危险了，无法探索。“探寻大的永久阴影区不是首选，我们应该去找那些已知存在的较小的永久阴影区。它们不会像沙克尔顿环形山那样，可能有很好的具有水的潜力但是不可获取，因为如果要获取这部分水源，必须通过一个24.5公里的向下跋涉路线，坡度为30º，但是温度仅有40至60开氏度。”
探险者可能需要在更浅、更容易到达的陨石坑中寻找水源。
在太空探索时代到来之前，卡米耶-弗拉马利翁等天文学家曾设想月球 “永恒之光的山峰 ”是像马特洪峰一样直插云霄的尖塔。观测者报告说，闪烁的区域散射着光谱光，也许是山顶上的冰。
资料来源：迈克尔-卡罗尔
无处不在的水
月球的其他地方也藏有水。在阿波罗宇航员探索过的月球中纬度地区，水是以分子薄膜的形式存在的，这是一层相互连接的微观网，覆盖在微小的碎屑上。太阳风与岩石中的氧化物相互作用，产生了水。
中国研究人员在研究嫦娥五号着陆器传回的月球样本后得出结论，数百万吨的水可能分布在月球表面的玻璃珠中。这些微小的玻璃珠很可能是在撞击过程中形成的，为月球提供了另一种可能的储水形式。在卡比乌斯环形山富含水的碎屑中，每11立方米就含有大约240毫升的水。但是，嫦娥号、阿波罗号和其他样本中的水都很稀薄：如果要收集在卡比乌斯发现的同样的 8 盎司水，需要的碎屑岩数量是更北部地点的 650 到 6500 倍。
月球南极的科学宝藏值得人类在这些极端条件下工作，但要对地球最近的邻居进行广泛的长期探索，还需要水。
责任编辑：杨伯顺
牧夫新媒体编辑部
『天文湿刻』 牧夫出品
微信公众号：astronomycn
2020年，美国宇航局的SOFIA证实了月球表面有水的存在。
来源：NASA
谢谢阅读
