探秘月球隱藏的水庫：邁向太空殖民新里程

人類正逐步邁向地球之外的生存，然而，要在月球或火星維持生命，有一項關鍵資源不可或缺，那就是水。加州大學聖地牙哥分校的研究團隊正協助尋找月球的水源，為美國國家航空暨太空總署（NASA）的阿提米絲任務助力，該任務旨在探索並最終在月球建立殖民地。

隨著人類將目光投向地球之外的未來，像是月球、火星等，其中最大的挑戰之一便是確保生存必需品，如氧氣、食物和水的供應。科學家已知月球上存在水，但精準定位水源至關重要。這些水是隱藏在隕石坑中、被困在永久陰影區域，還是集中在極地呢？找出這些水源是支援長期月球居住的關鍵，而這在過去一直屬於科幻領域。

加州大學聖地牙哥分校的研究人員正努力改變這一現狀，他們為包括NASA阿提米絲計畫在內的未來太空任務提供指引。他們的研究成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）的特刊《月球與火星上的水》中，這份研究可作為月球探索的路線圖。該期雜誌的封面甚至突出展示了阿提米絲一號，這是NASA雄心勃勃的月球計畫的第一步。

參與這項研究的科學家中，有加州大學聖地牙哥分校化學與生物化學系傑出教授馬克・蒂門斯（Mark Thiemens）及其兒子麥克斯韋・蒂門斯（Maxwell Thiemens）。麥克斯韋是布魯塞爾自由大學的研究員，也是斯克裡普斯海洋研究所的校友。他們的研究讓我們更接近了解月球的水源，這是將月球探索轉變為長期現實的關鍵一步。

早在1967年，諾貝爾獎得主哈羅德・尤里（Harold Urey）和詹姆斯・阿諾德（James Arnold），這兩位加州大學聖地牙哥分校化學系的教職員，是首批獲得阿波羅11號月球樣本的人之一。尤里是最早提出月球上存在水，尤其是在月球極地永久陰影區域有水的科學家之一。

如今，科學家認為月球上的水有三個可能的來源。在地球上，人類文明常圍繞水源發展，在太空中也是如此。瞭解月球水源的起源，能為太空人提供指引，幫助他們選擇最適合建立基地和棲息地的位置。

你知道嗎？目前最被廣泛接受的理論認為，大約45億年前，地球與另一顆行星發生碰撞，碰撞產生的碎片在地球軌道上聚集形成了月球。NASA的阿波羅太空任務從1961年持續到1972年，並在1969年實現了首次登月。總計阿波羅太空人帶回了842磅的月球岩石，其中一些被送到了加州大學聖地牙哥分校哈羅德・尤里的實驗室。

NASA的阿提米絲行動旨在探索月球以進行科學發現，並學習如何在另一個星球上生活，為人類前往火星的任務做準備。阿提米絲一號是繞月無人測試飛行，而阿提米絲四號將推出人類首個月球太空站。

月球的永久陰影區域從未見過陽光。由於月球的自轉軸幾乎與太陽方向垂直，月球極地的某些區域已經處於黑暗中超過20億年。為了了解月球上水的起源，摩根・紐恩・馬丁內斯（Morgan Nunn Martinez，當時是加州大學聖地牙哥分校的研究生）從1969年阿波羅9號任務收集的月球岩石中提取了極少量的水。從岩石中獲取水聽起來似乎不可思議，但透過熱釋放過程是可行的，即將月球樣本分別加熱到50、150和1000攝氏度（分別相當於122、302和1832華氏度）。結果發現，這些岩石意外地含有水分。

最低溫度釋放出的是輕度結合的水分子，這些分子透過微弱的吸引力附著在其他分子（在這裡是月球岩石）上。在1000攝氏度時，更深地嵌入岩石中的緊密結合水分子被釋放出來。透過這個過程，氣態水分子被收集起來，然後進行純化，只留下氧氣。研究團隊隨後測量了三種不同氧同位素的組成。

同位素是同一元素的原子，但具有不同數量的中子，這會改變它們的質量，中子越多，原子越重。這些測量對於確定物質的起源和年代特別有用。可以把這想像成太空鑑識學。就像人類有獨特的指紋一樣，天體，如彗星和太陽，也有獨特的特徵。科學家可以透過觀察氧同位素的測量結果來確定水的起源。

他們的資料顯示，大多數月球水可能源自月球本身或彗星撞擊。與普遍看法相反，太陽風對月球的水儲量貢獻不大。麥克斯韋・蒂門斯表示：「這項研究使用了最先進的科學測量方法，並支援了關於月球水的常識性觀點，即大部分水從一開始就存在於月球，而更多的水是由冰冷的彗星撞擊帶來的。透過太陽風形成水的複雜方式似乎並不那麼有效。」

雖然這不是論文的主要重點，但研究人員也測量了火星的樣本。如果NASA的阿提米絲計畫能夠成功在月球建立人類殖民地，這將為最終登陸火星的任務帶來好兆頭。馬克・蒂門斯指出：「這種研究以前從未做過，我們認為它可以為NASA提供有關月球水源位置的寶貴線索。阿提米絲計畫的真正目標是前往火星。我們的研究表明，火星上至少有和月球一樣多的水，如果不是更多的話。」

當然，定位水源只是第一步。要從月球岩石和土壤中提取足夠維持生命的水量，還需要進一步的技術進步和探索。

參考文獻：《月球水的三重氧同位素揭示了其本土和彗星起源》，作者麥克斯韋・M・蒂門斯（Maxwell M. Thiemens）、摩根・H・紐恩・馬丁內斯（Morgan H. Nunn Martinez）和馬克・H・蒂門斯（Mark H. Thiemens），發表於2024年12月16日的《美國國家科學院院刊》。DOI: 10.1073/pnas.2321069121。完整作者名單：麥克斯韋・蒂門斯（布魯塞爾自由大學）、摩根・紐恩・馬丁內斯和馬克・蒂門斯（均來自加州大學聖地牙哥分校）。這項研究部分得到了NASA地球與太空科學獎學金、國際崇她社阿梅利亞・厄爾哈特獎學金和大學科學家成就獎學金的支援。