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出典: pixabay

水の氷、水酸基、水分子。過去 30 年間、探査機や着陸船が次々と月のそばを通過するにつれて、科学者たちは絶え間なく研究を続け、「乾燥して水のない」月の様子が徐々に明らかになりました。私たち その向こう側。

状況が好転したのはいつですか?それは月の南極上空にクレメンタインが垣間見えたのか、それとも現代のイオンプローブ技術の精度と感度の向上なのか、sofia の広域スペクトル分光計による月の高緯度における水分子の正確な位置決めなのか、それとも嫦娥5号の鮮度は？

中国科学院地質地球物理研究所准研究員、林宏磊が執筆した記事

香港大学ヤオ准教授

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月の水を求める浮き沈み

1994年、米国の宇宙船「クレメンタイン」が月に突入した。これは、「アポロ」の月面着陸時代以来21年ぶりの米国の専用月探査ミッションであった。

これまでのアポロのサンプルリターンミッションとは異なり、今回は詳細な地球規模の調査のために月を周回している。地球上の深宇宙ネットワーク受信機と連携して、月極に水の存在の証拠を探すよう設計されたレーダー観測システムを搭載しています。

1996 年、米国国防総省は、クレメンタイン計画のデータにより、月の南極の永久に影に覆われた領域のクレーターの底に水の氷が堆積していることが示されたと発表しました (nozette, et al., 1996, science)。この堆積物の体積は約6万〜12万立方メートルで、サッカー場4個分の面積と深さ5メートルの小さな湖に相当します。この発見により、月の水の研究が再び人々の注目を集めるようになりました。

なんで「また」って言うの？実際、人類は常に、月に水があるかどうかについて際限のない空想を抱いてきました。 1609 年にガリレオが人間の目よりもはっきりと月を観察できる望遠鏡を発明して以来、天文学者は月の表面には主に白と黒の 2 つの異なる領域があることを発見しました。彼らは、月の黒い部分は液体の水で覆われている可能性があると信じているため、水系の形状を表す「海」、「海」、「川」、「湾」などの言葉を使って黒い部分に名前を付けています。月で (wei yong et al.、2024、中国科学アカデミー紀要)。 20 世紀半ばまでに、科学者たちは数値シミュレーションを使用して、水蒸気が地質学的時間スケールで永久的な影に閉じ込められる可能性があることを示しました。 1969 年から 1976 年にかけて行われたアメリカの「アポロ」とソ連の​​「月」計画では、月から大量のサンプルが収集されて地球に持ち帰られ、ついに人々に月のサンプル中の水分含有量を直接測定する機会が与えられました。残念なことに、分析結果は、月の土壌は非常に乾燥しており、測定された微量の水分は地球の大気からの汚染を排除できないことを示しています。同時に、宇宙飛行士が大気を検出するために月面に残した機器では水を検出できなかったため、「月は乾いている」ことが事実になったようです。これは月衝突説の形成にもつながりました。

「クレメンタイン」宇宙船のレーダー検出結果は、間違いなく肯定的な信号を発しました。しかし、地上に設置されたアレシボ電波望遠鏡からの観測では、永久影のない地域（水の氷が保存できない地域）であっても、おそらく表面粗さなどの他の要因により、同様のレーダー信号が存在することがさらに示されました（stacy, et al. al.、1997、サイエンス）。月の極地に水の氷があるかどうかという問題は、再び謎に包まれています。

水は水素と酸素で構成されており、月の水素含有量を測定することが水を検出する方法になる可能性があります。したがって、1998 年に、月探査機は月の水素の分布を測定するために中性子分光計を搭載し、極での大きな水素濃縮を確認しました (feldman et al.、1998、science)。月にはまた水が存在するのでしょうか？月に水があるかどうかをめぐる議論は 2008 年まで続きました。

2008 年は月での水の探索にとって非常に珍しい年でした。この年には 2 つの大きな出来事がありました。まず、インドの「チャンドラヤーン1号」宇宙船が、月の水酸基・水分子を直接測定できる初の分光計である米国の「月鉱物学マッパー」を月周回軌道に運んだことだ。

間もなく、この分光計を担当したブラウン大学のカール・ピータース教授のチームは、特に月の中緯度および高緯度で、データ内にヒドロキシル/水分子の明らかなシグナルを発見しました。これにカール・ピータース教授のチームは非常に興奮しましたが、同時に非常に驚きました。どうしてこれほど強い水の信号が存在するのでしょうか?機器の校正に問題がありますか?彼らは数か月を費やしてデータを調査し、信号が有効であると結論付けました (pieters et al.、2009、science)。

水が実際に検出されたことをさらに確実にするために、チームは彗星に向かう途中だったディープ・インパクト探査機に月に戻ってスペクトル測定を行うよう依頼した(sunshine et al., 2009, science)。土星へのキャシー計画により、1999 年の月面通過中の ni 宇宙船のスペクトル観測データが再分析され (clark、2009、science)、月の水の信号が本物であることが相互確認されました。

同時に、現場では新たな大きな進歩があり、これが2番目のことです。

同じくブラウン大学のアルベルト・サール教授のチームは、イオンプローブ技術（sims）を使って3年かけてアポロ月の土壌中の火山ガラス（火山噴火の生成物）を再分析し、最大50ppmの水分を発見した。 saal et al.、2008、nature) は、月には水がないという伝統的な見解に決定的な証拠を持って異議を唱えています。イオンプローブ技術は 1950 年代から登場し、高エネルギーのイオンビームを使用してサンプルの表面に衝突し、水素イオンを放出して測定を実行します。

この技術は初期の月の土壌の分析にも使用されていますが、空間分解能と感度は比較的低いです。イオン源と検出器技術の改良により、最新の sims 技術は 5 ppm (100 万分の 5) という低濃度の水分を検出できるようになり、月の土壌中の水分を正確に測定できるようになりました。アルベルト・サールは、ブラウン大学に来てから主に地球の内部構成を研究し、「月の中に水があるかどうか」というテーマを研究することを提案したとき、同僚は警告した。彼は、既存の月からのサンプルで新しい情報が発見される可能性は低いです。しかし、彼は諦めず、現代の先端技術の支援を受けて、最終的に大きな成功を収めたのは、惑星科学の分野での経験がなかったことと、固定観念に影響されなかったことによると考えました。

2009 年に米国の月面クレーター観測探知衛星ミッション (lcross) が月の極地で衝突実験を実施し、衝突時のスパッタの観測と分析により水の存在が確認されました (colaprete et al., 2010, science ）。それ以来、月には水が含まれているというのが一般的な認識となった。

実験室のサンプル分析とリモートセンシングによる観測は、月に水があるという証拠を提供しましたが、一連の証拠には欠けている部分があります。それは、月面の現場測定です。中国の嫦娥5号探査機は、2020年12月1日に月の中緯度への着陸に成功した。これは1976年以来2回目の人類によるサンプリング帰還ミッションであり、サンプリングプロセス中にデータを取得するために月の鉱物スペクトル分析装置を搭載していた。月面のスペクトルは、私たちが月の「野原」に出かけたようなものです。私たちは初めて、月面でこれほど近距離で高解像度で水の信号を検出しました。 xu et al.、2022、science advances; liu et al.、2022、nature communications）は、水が月に広く分布していることを示すもう一つの決定的な証拠を提供しています。

嫦娥 5 号のサンプルが地球に帰還した後、それらは科学研究者の間で、特に月の土壌中の水の研究に大きな熱意を呼び起こしました。なぜなら、これまでの月の採取ミッション（つまり、アメリカの「アポロ」やソ連の「月」）と比較して、嫦娥5号の月の土壌はより高緯度から採取され、より新しいものであるため、既存の月の土壌サンプルとはまったく異なります。とても貴重な人間。これまでのところ、国家宇宙局は85.48グラムの科学研究サンプルを7回に分けて131の国内研究チームに配布しているが、各チームが受け取ったサンプルは平均して数百ミリグラムに過ぎない。このような少量のサンプルを使用して、研究者らはナノイオンプローブ技術と赤外分光技術を使用して、月の土壌中のより高い含水量を見つけた (xu, tian et al., 2022, pnas; zhou et al., 2022, natureコミュニケーション）。

水は主にどこに保管されていますか?研究者らは多くの可能性を排除した後、嫦娥5号の月の土壌に衝突したガラス玉に注目した。このタイプのサンプルは「通常の起源」を持ち、隕石によって溶けた月の土壌の生成物であるため、これまでほとんど注目されていなかったタイプのサンプルです。この過程では元の岩石の混合変化が伴うため、「火山ガラス」のように月内部の情報を反映することができず、当初は興味を持つ人はほとんどいませんでした。しかし、衝突ガラスは月の土壌に非常に豊富に存在します。ナノイオンプローブ分析技術の超高空間分解能のおかげで、研究者らは嫦娥5号の月面土壌衝突ガラス球の正確な含水量を取得し、衝突ガラス球が月の水の重要な貯蔵庫であることを確認した。月の水を維持する能力と地表水循環の可能性 (he et al., 2023, nature geoscience)。月の水への理解が深まるにつれ、月の水循環の研究が徐々に注目されるようになってきました。

私たちが話しているこの月の水とは何ですか？

水について人々が最初に考えるのは、「飲めるのか」ということです。私たちが月に水があると言うとき、それは海や湖のことを指しているのではなく、月の土壌の粒子構造に存在する水分子やヒドロキシル基（oh）、あるいは永久影の領域に存在する水の氷のことを指しているのです。極地の。このうち、水の氷は、多くの水分子から構成される固体物質を指し、通常は六角形の結晶形をしていますが、水酸基/水分子は通常、月の鉱物と結合して鉱物構造中に存在します。

実験室用イオンプローブ技術は、水がヒドロキシル基、水分子、水素のいずれの形で存在するかに関係なく、水素含有量を測定し、それを水分含有量に変換します。 「チャンドラヤーン 1 号」と「嫦娥 5 号」の分光計も、波長範囲が狭いため、ヒドロキシル分子と水分子を区別できません。

2011年、研究者らはイオンプローブとフーリエ変換赤外分光技術を組み合わせて、アポロ月の土壌中のヒドロキシル水を直接測定した(liu et al., 2011, nature geoscience)。 2020年、米国の成層圏赤外線天文学観測所（sofia）は、より広範なスペクトルの分光計を使用して、永久影域の外側で比較的安定して存在できる分子水を検出し、月面に分子水が存在することを初めて確認した。 (honniball et al., 2021, nature astronomy)、この大ヒットニュースは、分子状の水の方がヒドロキシル基よりも利用しやすいため、月の水資源の利用に対する人々の期待に火をつけました。しかし、月の土壌サンプルからは分子状の水が存在するという明確な証拠は見つかっていません。嫦娥 5 号のサンプルに関する研究では、衝突ガラスにはより多くの水分が含まれていることが判明しました (he et al., 2023, nature geoscience) では、衝突ガラス中に分子状の水が存在する可能性は高くなりますか?この疑問を念頭に置き、研究者らは嫦娥5号サンプルの12個の衝突ガラスビーズの詳細な測定を実施し、衝突ガラス中の水の20％～35％が分子水であることを発見した。 (zhou、mo 他、2024、science advances)。

月の水はどこから来るのでしょうか？この疑問は主に水素同位体に頼ることで答えられます。水素には主にプロチウム（h）と重水素（d）の安定同位体が含まれており、順に質量が増加します。サンプル中の重水素/プロチウム (d/h) 比を測定し、それを考えられる対象源と比較することで、水がどこから来たのかを特定することができます。d/h 値が太陽と同様に低い場合は、水が太陽風によって月に運ばれたことを意味し、d/h 値が彗星と同様に高い場合は、水が月に運ばれたことを意味します。 d/h 値が地球に近い場合、水は彗星の衝突によって月に持ち込まれた可能性があります。地球の影響が除外されている場合、それは月自体の水です。この値は地球と彗星の間にあるため、水を含む小惑星によって月に運ばれる可能性があります。もちろん、測定された d/h 比が複数の供給源の混合の結果である場合もあります。この場合、水の供給源をさらに特定するには、炭素、窒素などの他の同位体を組み合わせる必要があります。月の土壌粒子の水素同位体測定を通じて、水が月の内部、太陽風の注入、小惑星/彗星の衝突などの複数の供給源から来ているという証拠が発見されている (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011) 、nature geoscience、liu et al.、2011、nature geoscience; barnes et al.、2016、nature communications）、これらの発生源は嫦娥 5 号サンプルの衝撃ガラスからも同時に発見されました（he et al.、2023）。 、nature geoscience; zhou、mo et al.、2024、science advances）、それにより、月の水源問題の複雑さが増しています。

より統計的に有意な主な水源を決定するために、研究者らは嫦娥5号からの多数のサンプルに対して粒状スペクトル分析を実施し、太陽風が月の土壌水の主な供給源であるという証拠を提供した(lin et al. 、サイエンス ブリテン、2024)。リモートセンシングスペクトルに基づいて得られた月表面の水分含有量の変化パターンも、水源の違いを示しています。月表面の水分含有量は日内変動があり、朝と夕方に多くなり、正午に低くなります。これは太陽風が水の源であることを示しています。なぜなら、太陽風だけが正午の高温によって失われた水をすぐに補充できるからです（li & milliken、2017、science advances; wöhler et al.、2017、science advances）、水の含有量が異常に高い領域がいくつかあり、地形や地形の特徴と組み合わせることで、月の内部に水が存在することが判明しました（ klima et al.、2013、nature geoscience; milliken & li、2017、nature geoscience）。極地の水の氷は、太陽風による水の拡散と移動によっても引き起こされる可能性があり、最終的には月の極域の永久影の領域で凝縮して形成されます（pieters et al.、2009、science）。 lcross 元素データの分析は、彗星の衝突も合理的な原因であることを示しています (mandt et al., 2022, nature communications)。

もちろん、月は毎月の 3 分の 1 近くを地球の磁気圏で過ごすため、月の水に対する地球の風の寄与を除外することはできません (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021) 、astrophysical journal letters; li et al.、2023、nature astronomy）。月の水源の問題は非常に複雑であり、さらなる理解を得るには、より多くの地域からのサンプル、より多くの観察、より詳細な分析が必要です。太陽風と地球の風は、月の水の供給源であるだけでなく、月への有人および無人の探査ミッションを実施する際に直接直面する必要がある宇宙放射線環境でもあることは指摘する価値があります。特性と変化メカニズムは月探査の鍵となる重要な保証の 1 つであり、特別な注目に値します。

将来、人類が月面基地を建設し、そこに長期滞在する場合、水がどのくらいあるのか、利用できるのかは最も関心のある問題である。この問題は、月に水が存在することから、2つの側面から考えることができます。 1つ目は極地域で、理論的にはその低温のため、永久に影に覆われた地域に汚れた氷（月の土壌と混合）の形で他の地域よりも多くの水分が蓄えられている。 lcross ミッションは、月の南極の永久影領域に衝突して生成されたプルームを分析し、衝突場所に約 5.6 wt.% の水の氷が含まれていることを検出しました (colaprete et al.、2010、science)。赤外線スペクトル検出でも同様の結果が得られ、水氷信号が比較的純粋な一部の地域では、水氷含有量が 30 wt.% に達することさえあることがわかりました (li et al., 2018, pnas)。極地にある水の氷は現在、最も大​​きな可能性を秘めた月の資源であり、研究者らは現在、水の氷を抽出するための加熱採掘や加熱掘削などのアイデアを提案している。しかし、低温、低重力、光がないなどの環境の複雑さのため、この目標を達成するまでの道のりはまだ長いです。採掘後は、分離、精製、保管などの問題も考慮する必要があります。

一方、月の土壌には水が存在しており、その水分は数十～数百ppm（月の土壌１トン中には数十～数百グラム）しか存在しません。砂漠ではそれよりもひどいです。嫦娥 5 号のサンプリング地域を例にとると、1 トンの月の土壌には最大 120 グラムの水が含まれています (lin、li、xu et al.、2022、science advances)。ただし、これは緯度にも関係しています。高緯度では 500 ～ 750 グラムに達することもあります (li & milliken、2017、science advances)。月の土壌中の水分は主に太陽風の注入によって得られます。細粒の月の土壌は比表面積が大きいため、粗い粒子よりも水分含有量が高くなります。粒状スクリーニングは、中緯度から低緯度で月の土壌水を利用する方法である可能性があります。きめの細かい月の土壌（45 ミクロン未満） 1000 立方メートルから 108 キログラムの水を抽出できます。さらに細かくふるうことができれば、10 ミクロン未満の月の土壌 1000 立方メートルから 840 キログラムの水を抽出できます。 (lin et al.、science bulletin、2024)。さらに、月の火砕流域には、500 ppm に達することもある大量の水が保存されています (milliken & li、2017、nature geoscience)。しかし、月の土壌からこの水を抽出するにはより高い加熱温度が必要であり、最大の入出力比を効率的に得るにはどうすればよいかが課題です。

月の水の利用には多くの困難がありますが、技術の進歩により、宇宙飛行士は近い将来、月の水を飲むことができるようになり、ロケットの燃料でも飲めるようになると考えられています。月の水から作られます。

どこへ行くか

水は生命の源であり、その重要性は自明のことです。水は月の進化においても非常に重要な役割を果たしました。月探査の新たな段階は、純粋な科学探査から科学研究と応用にも同様の注意を払うことに移行しており、「月の村」や「月の科学研究ステーション」などの将来計画も提案されており、水も重要な資源である。より多くの注目を集めました。月の水は将来の宇宙探査において重要な役割を果たし、人類文明が宇宙に進出するための重要な基盤を築くでしょう。月の水の時空間分布については依然として議論があり、月上の高精度かつ高解像度の水の含有量と分布を取得することが将来の探査の焦点です。

我が国の「嫦娥7号」と「嫦娥8号」は、2030年頃には月の南極での詳細な探査、特に極地における水資源の検出を実施する予定であり、これは国際的な月科学の基本的な枠組みである。研究ステーションが建設されます。有人月探査も議題に上っている。米国の「アルテミス計画」は、「アポロ」計画に続いて再び月面への有人着陸を達成し、月の南極で調査・実験・サンプル採取を行い、月面での長期的な人類活動を支える基地を建設するものである。月面。米国はまた、周回探査を通じて月上の水の分布を特に研究する小規模探査ミッション「ルナー・パイオニア」を立ち上げる計画もある。さらに、ヨーロッパ、日本、インド、韓国なども月の水の検出を重要な内容として捉えています。月の水を活用するには、まず月の水をより明確に理解する必要があり、そのためにはより正確な観測データが必要です。月は大気を持たず、接近や連続運用に便利な軌道を持っているという利点を踏まえ、研究者らは、月に近い軌道（30キロメートル未満）の連続高解像度測定を達成するための「月に近い軌道星座」計画を提案している。これは、月の水に関する前例のない正確な情報を習得するのに役立つだろう（wei yong et al.、2024、中国科学院論文集）。