中国科普博览《自然·天文》：这一次，我们在月球的光照区发现了水分子( 三 )
图片来源：参考文献[9]
进一步得到确认的“零部件”是羟基（OH） 。
2009年 ， 印度月船1号、NASA的深度撞击号和卡西尼号三个不同的探测器 ， 在同一年发现了月球全球分布、南北极富集的羟基/H2O[4, 10, 11] 。 但遗憾的是 ， 这几个探测器的光谱仪大多波段在可见光到近红外的范围（0.4-3 μm） ， 只能通过2.8-3.0μm波段的反射光谱吸收带判断存在羟基或者含水矿物形式的水 ， 具体是哪种我们无法判断 ， 但通常更倾向于是羟基形式的水 。
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△（左）月船1号的M3探测的月球极区羟基的富集（越蓝表示越富集）| NASA（右）羟基（OH）、水和水冰在3 μm（3000 nm）附近有不同波段有不同的吸收特征 ， 但月船1号的M3刚好没能完整覆盖这个区域 ， 只能判断有羟基和可能的分子水
图片来源：参考文献[4]
当然 ， 找到羟基也很不错了 ， 行星科学家们四舍五入也把羟基视作一种形式的水 。 嗯 ， 是盖章认证过的月球水 。
但毕竟 ， 我们还是希望能清楚判断这到底是不是“完整”的H2O水 ， 希望能找到比羟基更“正经”的水的 。
从可见光到红外
那有没有其他可以明确区分羟基和分子水的特征呢？把波长放长一点 ， 到红外波段的话 ， 可以有 。
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△电磁波各波段 。 过去的深空探测器主要以可见光和近红外波段为主来探测水
图片来源：维基
分子水的辐射光谱在6 μm波段有个独特的辐射带 ， 这是羟基完全没有的特征 。
2018年8月 ， 当时还在夏威夷大学攻读博士学位的Casey Honniball及其合作者们用索菲亚天文台FORCAST红外望远镜对月球正面光照区进行了观测 。 FORCAST望远镜的观测波段覆盖5-8 μm ， 非常适合用来寻找6 μm波段有没有分子水 。 事实上 ， 这也是原本用于观测黑洞、星团和星系的索菲亚天文台首次用于观测月球 。
然后 ， 她（他）们真的找到了！
南半球高纬度的水分子
Casey Honniball及其合作者们选择了月球南半球高纬度的克拉维斯（Clavius）撞击坑一带（纬度：55-75°S）作为搜寻目标 。 月船1号的M3光谱仪曾在这里发现过3μm波段的羟基富集 ， 因此作者们推测这里也有可能存在分子水 。
她（他）们还选择了位于赤道的澄海部分区域（纬度：17-28°N）作为对照组一起观测 ， 这里温度更高 ， 表面矿物也不同 ， 是个和克拉维斯撞击坑差异很大的区域 。
结果非常理想 。 克拉维斯撞击坑一带的辐射光谱里确实发现了6 μm波段的辐射带 ， 而澄海对照组就没有 ， 说明前者确实存在水分子 。
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△（左）索菲亚天文台的两个观测区域：克拉维斯（Clavius）撞击坑一带和澄海一带（对照组）；（右）克拉维斯撞击坑一带观测到的6 μm辐射带示例
图片来源：参考文献[3]
不过 ， 水分子真的不多 。 据这次观测数据推算 ， 克拉维斯撞击坑一带的水分子含量在100-400 ppm（1 ppm = 100万分之一） ， 总量不足撒哈拉沙漠水量的百分之一[12] 。
什么样的水分子？
分子形式的水 ， 也可以有很多形态 。 克拉维斯（Clavius）撞击坑一带发现的是哪种？作者表示 ， 这是一个被很多采访人员问到的问题 。
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△固、液、气态水分子
图片来源：University of Waikato
这是一片会被太阳照射到的区域 ， 最高温度有七八十摄氏度 ， 所以这次发现的水分子不可能是水冰形式 ， 但也不是液态水那样通常大众所感知的流动的形式 。 这样的水分子想要安然躲过月面的紫外分解和高温幸存下来 ， 大概率是需要“躲藏”在月面物质颗粒的内部或者颗粒物的空隙之间的 。 当然 ， 这只是一种物理上的“困”住 ， 不同于羟基与月表物质化学上的绑定 。
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