嫦娥五号新成果揭示着陆区月表水的分布特征

北京时间2022年6月15日，《自然通讯》（Nature Communications）在线发布我国嫦娥五号的一项重要研究成果。中国科学院国家天文台李春来、刘建军研究员和上海技术物理研究所舒嵘研究员领导的团队，与中科院地质地球所、物理所、西安光机所、地球化学所，北京空间飞行器总体设计部、北京航天飞行控制中心、北京空间机电研究所等单位合作，在国际上首次联合月球样品的实验室分析结果和月表就位探测的光谱数据，检验了月球样品中水的有无、形式和多少，回答了嫦娥五号着陆区水的分布特征和来源问题，为遥感探测数据中水的信号解译和估算提供了地面真值。

月球有没有水、有多少水、是什么形式的水、水来自哪里存在着很大的争议，一直是月球科学的研究热点。在嫦娥五号任务立项论证之初，研究团队提出将着陆器上的月球矿物光谱分析仪光谱范围拓展到了3.2μm，并实现了国际上首次月表水光谱吸收特征的就位探测。为了避免发动机羽流和太阳风轰击月表时的动态“水”（羟基OH）给就位光谱分析带来的影响，研究团队对获取就位探测光谱数据的时机进行了精心设计。探测时机选择在着陆6小时后以避免CE-5探测器着陆时发动机羽流成分的影响；探测时间选择在月面温度最高（约62~87摄氏度）的（接近）正午，最大限度地挥发了月表的动态“水”；光谱测量时月球（着陆区）正处于地球磁场的保护中，屏蔽了太阳风，避免了太阳风轰击产生的动态“水”（羟基OH）的因素。在这种环境下嫦娥五号光谱仪能够获得“干净”的“水”吸收光谱，经严格的校正处理和分析，研究团队发现嫦娥五号着陆区月壤中明显地含有羟基形式的“水”，但平均含量较低，仅约30ppm。

目前认为月球“水”的来源主要有三种可能：一是太阳风粒子与月表物质相互作用产生的（动态）羟基物质；二是撞击月球的彗星或陨石带来的水和含羟基物质；三是月球原生（内部）水。月球样品返回地球后，研究团队在实验室对返回月球样品进行了系统分析，实验室光谱分析再次验证了羟基水的明确存在，但“水”的存在形式、含量和来源的研究，需要详细的矿物岩石学分析。阿波罗月球样品研究认为，月壤中（撞击）胶结玻璃包含了太阳风长期注入形成的羟基物质，胶结玻璃的含量是影响月球样品中“水”含量的重要因素。返回样品的实验室分析表明，嫦娥五号月球样品是一类年轻玄武岩，胶结玻璃含量很少（不足16%），仅为Apollo 11月球样品的1/3，由此估算嫦娥五号月壤样品中来自太阳风注入胶结玻璃形成的“水”不多于18ppm。同时，嫦娥五号着陆区月壤样品中外来撞击溅射物非常低，对“水”的贡献可以忽略。因此嫦娥五号月壤样品中肯定存在来源于月球内部的原生水。对嫦娥五号月球样品的实验室分析，发现了至少一种含水矿物——羟基磷灰石，其含量不均匀，折合样品羟基水的含量从0ppm到179ppm不等（平均约17ppm），证明了嫦娥五号月壤样品中存在来自岩浆结晶过程的“水”，说明“水”在月球晚期岩浆活动过程中不仅存在，而且可能起到了非常重要的作用。

本研究成果的月面就位探测光谱数据由中国科学院上海技术物理所研制的月球矿物光谱分析仪获取，科学探测载荷运行管理、数据接收和处理由中国科学院国家天文台（探月工程地面应用系统）完成。研究受国家科技重大专项探月工程三期和中国科学院重点部署项目“嫦娥五号月球样品的综合性研究”等项目资助。