作者：宋蜜
“我们的征途是星辰大海“出自田中芳树的太空歌剧《银河英雄传说》，意在表达主角莱因哈特想要统一银河系的雄心。人类探索神秘外太空的热情日益高涨，浩瀚的星辰宛若无际的大海，可喜的是科学家已经在星辰中找到了大海的踪迹。水是组成大海的基本元素，作为地球的生命之源，水一直以来都是深空探测任务的重点关注对象。从月球到火星，星辰找水，我们一直在途中。
深空找水的火眼金睛
高光谱遥感技术是深空找水的火眼金晶，它通过光谱仪记录物质对光的吸收和反射特性得到光谱曲线，研究人员则根据不同物质在光谱曲线上的判别性特征来识别物质的种类。光是一种电磁波，人眼所看到的光属于可见光，而光的电磁波不仅限于可见光谱段，还有我们熟知的紫外、近红外、中红外、远红外等人眼不可见的谱段，光谱仪就如齐天大圣的火眼金睛一般可以“看”到我们肉眼看不到的光，记录下物质在这些谱段的“样子”（光谱曲线）。水分子和羟基能够吸收近红外谱段的光，在光谱曲线上表现为在对应波段有“缺口”（吸收特征），这些“缺口”就是识别水的判别性特征。深空找水通过在探测器上搭载光谱仪来采集目标物质的光谱曲线，再从光谱曲线中检测是否有水，过程就如公安局侦查员从通过指纹比对确定嫌犯，有水（含水分子和羟基）没水，就看该物质的光谱曲线在近红外谱段的“缺口”位置、大小和深度是否与水相符。
月球上有水?!
1960年代以来，研究人员就推测，在月球两极永久阴影区域的陨石坑中可能有无法蒸发的水，从此开启了月球找水任务。上世纪70年代，前苏联科学家首次从月神24号在月球1米多深层处采集并带回的月球土壤样品中检测到了水的特征光谱信号。在2000年代后期，印度的月船一号、NASA的卡西尼号、以及彗星探测器“深度撞击号”等也都检测到月球表面上水合作用的光谱信号，并且发现月球表层的水含量随纬度的增加而增加，并且随太阳照射角度的变化而有所变化，但仍无法确定该信号是羟基（OH）还是水分子（H2O)。同时，研究人员发现阿波罗任务返回的月壤样本的玻璃和矿物质中有水分子。从那时起，许多探月任务都进行了类似的探测，包括NASA的“月球勘测轨道飞行器”（LRO）和“月球观测和传感卫星”（LCROSS）任务。2019年，月球大气与粉尘环境探测器（LADEE）的数据显示，月球上的水不仅存在于永久阴影区域，并且通过小陨石的撞击溅射到更广的范围。
嫦娥探测器实地“看”到 “水”
我国的嫦娥五号探测器首次发现了月球表面有水的原位探测证据。2020年12月1日，嫦娥五号探测器成功着陆在月球风暴洋北部地区，嫦娥五号探测器上安装有月球矿物光谱分析仪，该仪器对采样区约2米×2米范围的区域进行反射率光谱测量，获取了采样区的月壤和岩石在0.48mm-3.2mm谱段范围内的光谱数据。研究人员发现嫦娥五号所采集的光谱数据在2.85mm处存在由羟基和/或水分子造成的明显的吸收特征，以此证明月壤和岩石中有水，再根据月壤和岩石的粒径与水含量的相关关系估算出了月壤的水含量在120 ppm（百万分之一百二）以下，而岩石中的水含量约为180 ppm。
嫦娥五号探测器测到水的月壤和岩石（来自Lin Honglei, et al, Science Advances, 2022）
寒冷干燥的火星曾经也有汪洋大海
火星作为类地行星和太阳系八大行星之一，一直以来是人类向往的移民星球。研究人员通过光谱测量、土壤组分化学分析、地形地貌观测、雷达探测、大气成分探测等技术也找到了这颗红色星球曾经部分被水覆盖的大量证据。例如，我国天问一号的环绕器拍摄了火星北极冰盖影像，其中白色区域为覆盖在北极的“冰”原。事实上，火星比地球距离太阳更远，其年平均气温仅有-53℃（地球为14℃），而火星两极地区的冬季温度更是低至-125℃，加之火星大气由95%的二氧化碳气体组成，因此其两极地区形成了厚厚的冰盖（图2），与地球两极的冰不同，火星的冰是由干冰(固态二氧化碳)和水冰组成。2018年《Science》发表的一篇文章指出，在火星南北纬55°附近的地下有大量的纯净水冰，这些区域的火星成像光谱数据具有明显的水冰吸收特征，在浅层雷达数据上也显示出了疑似水冰的地层垂直构造。事实上，由于火星的表面重力只约为地球的三分之一，因此其地壳密度低于地球，火星表面的水的确可能渗透了疏松多孔的地壳而在地下形成了水冰。
天问一号环绕器拍摄的火星北极冰盖（来自国家航天局网站）
火星上现今的水主要以极地冰盖或者地下冰的固态形式存在，约折合20～40 m GEL(全球等效层厚）。另外，地形地貌证据也表明，火星上曾有古河道、古湖泊、古海洋等大规模的液态水，其规模相当于100～1500 m GEL。
火星的古海洋模拟图（来自Astrobiology at NASA网站）
火星大量的水都消失了
虽然火星历史上有大量的液态水，但是现在我们看到的火星已经变成了一颗寒冷、干燥、空气稀薄的星球，其表面气压不足地球表面大气压的百分之一，在如此稀薄的空气中，水很容易沸腾，因而液态水在火星表面难以长时间存在。事实上，随着火星"磁发电机"的停止运作，火星早期表面10～200 m GEL的液态水便向外太空逃逸消失了，其余的水则大多与土壤和岩石中的矿物发生水合作用形成了含水矿物，高达30%～99%的水以水岩作用的形式消失。火星不断干旱化正是由于地壳化学风化作用所致，这一过程被火星表面广泛分布的诺亚纪时期的含水矿物所记录，未来的载人火星任务则可以通过加热水合矿物质来提取这种水。
火星上仅存的水在哪里？“天问”去瞧一瞧
我国首次火星探测任务天问一号于2021年5月12日着陆于火星北部的乌托邦平原，乌托邦平原是火星上最大的平原，直径约3200公里，面积约800万平方公里，在远古时期，这里很可能是火星上最大的海洋。乌托邦平原的多种地貌特征都表明此地曾存在大量的水冰，例如多边形图案与扇形洼地等类似地球冰川和冻土的冰缘地貌，据推测是由浅表层的冰升华或融化形成。研究人员基于浅表层雷达数据分析冰缘地貌区域的次表层结构，推测其具有 8400~14300km3储量的水冰。然而，目前缺少乌托邦平原存在水冰或其它含水矿物的光谱证据，深圳大学深空深地学科交叉研究中心就此问题正在展开积极研究。天问一号环绕器搭载的火星矿物光谱分析仪、以及祝融号火星车搭载的次表层探测全极化雷达和火星表面成分探测仪，都是寻找乌托邦平原的水冰的利器，期待捷报频传！
火星车和平台在乌托邦平原的合影（来自国家航天局网站）
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