一項(xiàng)跨學(xué)科的研究首次揭示了月球上形成水的化學(xué)、物理和物質(zhì)證據(jù)。來自Mānoa夏威夷大學(xué)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)合作開展了這個(gè)項(xiàng)目：UHMānoa化學(xué)系的物理化學(xué)家，太陽能化學(xué)WM Keck研究實(shí)驗(yàn)室和夏威夷地球物理與行星研究所（HIGP）的行星科學(xué)家。

盡管月球探礦者號和月球硬著陸環(huán)形山觀測，傳感衛(wèi)星等軌道飛行器發(fā)現(xiàn)表明，月球兩極存在水冰，但這些水的來源仍不確定。月球水是永久固定在月球的關(guān)鍵條件之一，它既是燃料和能源生產(chǎn)(氫、氧)的原料，也是“飲用水”。

這項(xiàng)突破性的研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上?；瘜W(xué)教授Ralf I. Kaiser和HIGP的Jeffrey Gillis-Davis設(shè)計(jì)了這些實(shí)驗(yàn)，以測試太陽風(fēng)、月球礦物和微隕石撞擊產(chǎn)生的氫質(zhì)子之間的協(xié)同作用。對橄欖石樣品進(jìn)行了輻照，橄欖石是一種干礦物，是月球物質(zhì)的替代物，氘離子是太陽風(fēng)質(zhì)子的替代物。即使把溫度提高到月球中緯度白天的溫度，實(shí)驗(yàn)也沒有發(fā)現(xiàn)任何水形成的痕跡。但是當(dāng)研究人員加熱樣品時(shí)，檢測到了分子氘。

這表明從太陽風(fēng)中注入的氘或氫可以儲存在月球巖石中。因此，另一種高能來源可能是必要的，以觸發(fā)月球礦物中的水形成，然后釋放出一種可以檢測到的氣體。第二組氘輻照實(shí)驗(yàn)后，激光加熱模擬微隕石撞擊的熱效應(yīng)。在激光脈沖作用下，氣相中出現(xiàn)了與單離子化重水質(zhì)量荷電比相匹配的離子爆炸現(xiàn)象。溫度升高后，激光脈沖繼續(xù)產(chǎn)生水，這表明橄欖石儲存了激光加熱釋放出重水的前體。為了給這些過程成像，并解釋對月球和其他天體更廣泛的影響。

HIGP的石井和約翰·布拉德利希望在高級電子顯微鏡中心使用聚焦離子束掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。觀察到亞微米大小的表面坑，其中一些部分被蓋子覆蓋，這表明水蒸氣在表面下形成小泡，直到它們破裂，在微隕石撞擊時(shí)從月球硅酸鹽中釋放出水。HIGP的Jeffrey Gillis-Davis總結(jié)說：總的來說，這項(xiàng)研究增進(jìn)了我們對月球和太陽系中其他無空氣物體(如水星和小行星)上探測到水的起源并理解，并首次為水的形成提供了一個(gè)科學(xué)合理且已被證實(shí)的機(jī)制。

過去二十年收集的觀測證據(jù)支持月球上存在水。然而，月球水的來源以及產(chǎn)生月球水的化學(xué)和/或物理過程仍然是未知。通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，證明了微隕石撞擊太陽風(fēng)質(zhì)子注入無水硅酸鹽所引起的熱沖擊可以產(chǎn)生和釋放水。新研究發(fā)現(xiàn)對于解釋月球上以及谷神星等其他不含空氣天體上水的起源，以及解開太陽系中目前的水分布狀況，都具有根本性的重要性。在月球表面發(fā)現(xiàn)水(H2O)和羥基自由基(OH)的來源，代表著一個(gè)基本的、尚未解決的謎題。

太陽風(fēng)質(zhì)子與硅酸鹽和氧化物的相互作用被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，但實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果相互矛盾，這表明質(zhì)子注入本身不足以產(chǎn)生和釋放水。通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合成像研究證明，水可以通過快速的高能加熱，如微隕石撞擊到注入太陽風(fēng)質(zhì)子的無水硅酸鹽中，有效地生成和釋放。這些太陽風(fēng)質(zhì)子和微隕石的協(xié)同作用在礦物溫度為10到300k的情況下通過囊泡釋放水，從而為硅酸鹽中合成水的關(guān)鍵機(jī)制提供了證據(jù)。

博科園｜研究/來自：夏威夷大學(xué)馬諾阿分校

參考期刊《美國國家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1819600116

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