最近，在我国嫦娥五号任务带回的月壤样品中，我国科学家发现了一种富含水分子和铵的未知矿物晶体，以确凿证据宣告了水分子在月球上的真实存在。这种“月球水”和我们所熟知的水有何不同？是否意味着以后我们能去月球上种菜了？
月球表面含水矿物形成效果图。（中国科学院物理研究所供图）
01 月球水，到底是什么水？
水是地球上最常见的物质之一，通常都以液态、固态或气态存在。但月球上是否有水，一直是研究人员争相探索的目标。2022年，我国科研团队通过对嫦娥五号所携带“月球矿物光谱分析仪”探测的数据进行研究，首次获得了月表原位条件下的水含量——1吨月壤中约有120克“水”，1吨岩石中约有180克“水”。但这还不算“实锤”证据。尽管这项研究证实了月球有水，但并未断定这水到底是不是月球本地“土著”，也未断定这水是“羟基”还是“水分子”。
我们知道，月球没有大气层来调节温度，也没有磁场的保护，白天，太阳垂直照射的月表最高温度可达127°C，昼夜温差最大超330℃。研究人员此前多认为月球上的水多来自太阳风“吹”来的粒子流或陨石/小行星撞击，且大多分布在低温和缺乏太阳照射的永久阴影区。
但此次月壤中发现的水可不一般！在嫦娥五号携带回的迄今为止纬度最高的月壤样本中，研究人员发现的是一种未知的矿物晶体——六水氯化镁铵（ULM-1）。基于单晶衍射和化学分析，研究人员发现这种矿物成分为(NH4,K,Cs,Rb)MgCl3·6H2O的水合物形式，其中含有大量的水分子和铵。尽管发现的并不是直接的液态水或冰，但该矿物中水分子的质量比高达41%——1吨矿物中约有410千克水分子，在加热条件下还能以水蒸气的形式逸出。
ULM-1的照片和成分组成。a. CE5土壤样本的照片，b.ULM-1单晶照片，c. EDS光谱，d. EPMA光谱，e.拉曼光谱，f. IR光谱。（中国科学院物理研究所供图）
02 为何科学家们如此执着寻找月球水？
水是生命的基础保障之一，水在类地行星的地质演化中更是具有举足轻重的作用。虽然人类早在20世纪60年代就已登上月球，但无论对于了解月球的地质结构、形成演化以至未来进行资源开发、打造月球基地而言，月球水都蕴含着巨大的科研价值和意义。
科学家曾经通过月球遥感探测测量过水分子和羟基的存在，但若想进一步了解行星的物质组成，采集样本自然是最好的途径。此前科学家在分析美国“阿波罗”号飞船带回的月球岩石样本时，也曾发现岩浆水，但科学家一直以为是样本受到了地球的“污染”。也正因为月球样本的珍贵和确保样本完整安全的高标准，研究人员从采样、封装、运输到开舱移交的整个过程都不容得一丝马虎。
嫦娥五号采集回的样品采用的是一种充了保护性氮气的密封装置，在处理月壤样品时，科学家们也会使用专门的存放设施和样品处理分析实验室，尽可能保证月壤样品不被污染，科研结果才更加可信。
对于此次ULM-1的分析，研究人员排除了地球污染或火箭尾气等外来形成因素，进一步确认该矿物的氯同位素组成与月球上的矿物相符。并且，这种水合物需要一定的温度和复杂的气氛条件才能形成，也排除了人为因素的干扰。确认了其就是来自月壤中的“货真价实”的水分子。
月球大撞击成因理论认为，月球是在在太阳系形成早期，有一颗像火星般大小的天体（通常被称为“忒伊亚”或Theia）高速撞击了地球后形成的。月球上的岩石，特别是在月球表面形成的岩石主要是通过火山活动过程中的岩浆冷却凝固形成的，此次发现的矿物晶体其所处的地质年代已有含水的矿物形成，这对于了解月球岩浆活动和热演化等有着重要意义。
更令人惊喜的是，此次研究人员发现月球上水分子可能存在的一种形式是水合盐，也进一步说明它可以长期稳定存在于月球的阳光照射区域，这为月球资源的利用和探索提供了更为广阔的前景。
03 月球上有水了，是否意味着我们以后离去月球上“种菜”不远了？
因这次发现的水合物中富含铵和少量钾，很多人认为人类在月球上种植作物指日可待。不过，设想我们开始建设月球基地，首先要寻找到这种水合物富集的地区，其次要克服月球上的恶劣环境以及运输、生命维持系统等设备运行等种种难题。因此，目前暂无法支持植物或作物在月球的自然生长。
随着科技的进步和月球探测任务的持续深入，未来在月球上“种菜”的确有了更为接近的可能性，并帮助我们实现能源开发利用、行星研究以至人类在太空中的生存和发展开辟新的道路。
专家：刘勇 中国航天科普大使、中国科学院国家空间科学中心研究员、中国空间科学学会科普工作委员会主任
审核：金士锋 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心副研究员
