月球永久阴影的秘密即将曝光

迄今为止的研究充其量只是提供了一个诱人的一瞥。但这即将改变。明年，机器人车辆将首次进入 PSR 令人眼花缭乱的冰冷深处，揭示这些阴影陨石坑的内部情况。到本世纪末，美国宇航局计划派人类亲自探索。

在这个登月新时代的前夕，一系列关于 PSR 的新研究表明，这些阴影区域比科学家们想象的还要陌生。我们会发现什么潜伏在阴影中？

“我不知道我们会看到什么，”明年机器人任务的首席科学家罗宾逊说。 “这是最酷的事情。”

水，水，无处不在

关于 PSR 的猜测可以追溯到 1952 年，当时美国化学家 Harold Urey首次假设它们存在于月球上。 “在它的两极附近，可能有太阳永远不会照射到的洼地，”他写道。他观察到，虽然地球绕太阳运行的旋转轴倾斜 23.5 度，但月球的轨道仅倾斜 1.5 度。这意味着太阳光线几乎水平地照射到它的两极，极地陨石坑的边缘会阻挡光线直接到达它们的深处。然而，尤里认为，由于月球缺乏大气层，这些没有阳光的地方的任何冰都会“迅速消失”。

美国化学家哈罗德·尤里因发现氘而获得 1934 年诺贝尔化学奖。他还参与了曼哈顿计划，并对生命起源、古气候学以及月球的起源和性质进行了开创性研究。

然后在 1961 年，劳伦斯伯克利国家实验室的地球物理学家肯尼斯·沃森推测冰可以在 PSR 内部持续存在。众所周知，月球夜间温度会降至-150摄氏度；沃森和两位同事认为，这意味着冰会被困在最冷的地方，尽管暴露在太空中。他们写道：“在月球的永久阴影区域应该仍然存在可检测到的冰量。”

直到 1990 年代初，科学家们一直在争论 PSR 中是否存在冰，当时雷达仪器在水星两极发现了冰的迹象，水星也被认为有永久阴影的陨石坑。 1994 年，利用美国宇航局克莱门汀号宇宙飞船上的雷达仪器，科学家们在月球南极探测到了与水冰存在一致的增强信号。狩猎开始了。

1999 年，康奈尔大学的 Jean-Luc Margot 及其同事确定了月球上可能含有冰的 PSR 。他们在加利福尼亚州的莫哈韦沙漠使用雷达天线制作了月球两极的地形图。 “我们模拟了阳光的方向，并使用我们的地形图来识别永久阴影的区域，”玛戈特说。

他们只找到了少数 PSR，但随后的研究已经确定了数千个。最大的陨石坑内部有数十公里，例如位于月球南极的沙克尔顿陨石坑，其深度是大峡谷的两倍。最小的跨度只有几厘米。在 3 月在休斯敦举行的月球和行星科学会议上，美国宇航局戈达德太空飞行中心的行星科学家凯特琳·阿伦斯提出的研究表明，随着月球温度的波动，一些 PSR 可能会略微增长和收缩。 “这些是充满活力的寒冷地区，”阿伦斯在接受采访时说。 “他们没有停滞不前。”

帕特里克·奥布莱恩和一位同事最近发现了月球上的双重阴影区域，这些区域的温度足以让奇异的冰块保持冰冻状态。

新的研究表明，一些陨石坑还包含双重阴影区域，或“阴影中的阴影”，亚利桑那大学的研究生帕特里克奥布莱恩说，他在休斯顿为这个想法提供了证据。虽然 PSR 不会受到阳光直射，但大多数会收到一些从陨石坑边缘反弹的反射光，这会融化冰。双阴影区域是 PSR 内部没有反射光的次生陨石坑。 “温度可能比永久的阴影还要冷，”奥布莱恩说。它们的温度低至负 250 摄氏度。

冰冷的秘密

双阴影区域足够冷，可以冻结更多奇异的冰，如二氧化碳和氮，如果那里存在的话。科学家们说，这些和 PSR 内部水冰的化学成分可以揭示水是如何到达月球的——更重要的是，如何到达地球和一般的岩石世界。 “正如我们所知，水对生命至关重要，”科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家玛格丽特兰迪斯说。她说，问题是，“有利于地球上生命的条件是何时以及如何形成的？”地球的过去一直被地质过程打乱，而月球是太阳系历史的博物馆；它的冰被认为自它到来以来几乎没有受到影响。

关于水是如何到达月球的，目前存在三种主流理论。首先是它通过小行星或彗星撞击到达。在这种情况下，当太阳系形成时，太阳系内部炽热的水分子被太阳风蒸发并吹走；只有寒冷郊区的水才能凝结并积聚成冰冷的身体。这些天体随后轰炸了包括月球在内的内太阳系，输送了水。第二个理论是，在月球中年的某个时候，火山喷发形成了一种稀薄的、临时的月球大气，导致两极结冰。或者太阳风可以将氢气运送到月球，并与氧气混合形成冰。

2 月，在Nature Communications上发表的对 LCROSS 羽流的重新分析表明，Cabeus 陨石坑中的冰很可能是彗星起源的。约翰霍普金斯大学应用物理实验室的凯瑟琳曼特及其同事分析了与水一起冻结在冰中的氮、硫和碳的量，发现“最好的解释是彗星，”曼特说。 “氮碳比远远超出了火山所能提供的合理水平。”

如果月球的冰完全由彗星提供，那么地球可能也是如此。这可能意味着岩石世界必须经历这样的影响才能积累生命繁衍所需的水。然而，兰迪斯说，现在说曼特的研究是否适用于月球上的所有冰还为时过早。 “社区需要更多时间来消化它，”她说。

行星科学家凯瑟琳·曼特（Kathleen Mandt）最近对从月球陨石坑喷出的水蒸气的研究表明，一颗彗星将水送到了月球上。

如果某些月球冰被确定为火山起源，这将表明世界具有从其内部产生水的先天能力，而不是依赖于撞击。 “可能不是所有的太阳系都有很多彗星或小行星，”兰迪斯说，“但形成岩石行星的太阳系可能有这种能力，让 [火山] 喷发支持水。”

除了在 PSR 中寻找奇异的冰外，科学家们还想测量水冰中氘的比例，氘是一种较重的氢同位素。大量氘与彗星中发现的更为一致（尽管比率有所不同），而较少的氘将指向太阳风。火山起源会落在中间的某个地方。其他元素也将提供信息；例如，来自火山的冰应该含有从月球内部提取的大量硫，科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家保罗海恩说。

进入深渊

之前的月球之旅从未冒险进入它的永久阴影。阿波罗登陆发生在月球赤道附近，当时对 PSR 的了解还处于起步阶段。 2019年，中国的嫦娥四号着陆器和漫游者在南极着陆，但它没有瞄准PSR。

然而，2017 年，特朗普总统签署了一项指示 NASA将人类送回月球的指令，该倡议后来被命名为 Artemis。在 2020 年代中期首次载人阿尔忒弥斯登陆之前，其中可能包括第一次进入月球永久阴影陨石坑的架次，美国宇航局正在向商业公司支付费用以进行初步的机器人探索。

总部位于休斯顿的 Intuitive Machines 将成为这些公司中第一家探索 PSR 的公司，尽管时间很短。他们的 Nova-C 着陆器计划于今年年底在 SpaceX 火箭上发射，将降落在沙克尔顿陨石坑附近的山脊上，这可能是随后人类探索的目标。然后着陆器将部署一个手提箱大小的车辆，称为 Micro-Nova Hopper。 Intuitive Machines 在月球和行星科学会议上透露了这次旅行的细节： Hopper 将使用推进器在月球表面跳跃，一次最高可达数百米；在三跳后，它将到达 100 米宽的马斯顿陨石坑的边缘，该陨石坑包含一个 PSR。然后料斗将在马斯顿上方自行发射并下降到漆黑的深处。

着陆器有摄像头和灯光，但目前还不清楚它会看到什么。该任务的首席科学家罗宾逊说，表面冰层是可能的，但他说，飞行器的灯光更有可能反射与月球土壤混合的冰晶。或者，如果表面上的冰很少，它可能根本不会明确出现在图像中。无论如何，这种观点将具有历史意义。

Hopper 进入 Marston 的时间不会超过 45 分钟，科学回报将是有限的——主要目标只是证明跳跃方法有效。但我们不会等待更彻底地深入月球深渊。

向下钻取

今年夏天，美国宇航局新的太空发射系统火箭（将推动阿尔忒弥斯登月任务）的首次发射将搭载几艘小型航天器，用于研究月球轨道上的 PSR。与此同时，8 月发射的韩国轨道飞行器将携带ShadowCam ，这是一种专门用于对 PSR 进行成像的 NASA 仪器。

然而，机器人 PSR 探索的决定性时刻将在 2023 年末到来，届时一辆名为 VIPER（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover）的高尔夫球车大小的漫游车将乘坐 SpaceX Falcon Heavy 火箭前往月球。离开着陆器后，VIPER 将驶入月球的三个永久阴影区域并钻入地面。

在离开为太阳能电池充电之前，一次运行长达 10 小时，漫游者将钻入一米深的地下冰层，或挖掘表面上任何裸露的冰层。 “如果有一块冰，我们马上就会知道，因为它很难通过，”设计钻机的科罗拉多州 Honeybee Robotics 的 Kris Zacny 说。该团队预计将进行多达 50 次钻探。

兰迪斯说，VIPER 将“彻底改变”我们对这些地区的了解。它将使用光谱仪分析发现的任何冰，揭示氘与氢的比例，并寻找二氧化碳或氮的迹象。 VIPER 可以提供关于月球冰从何而来的结论性见解，以及在岩石体上可能发现冰的一般条件。 “我们的理解将发生巨大的飞跃，”VIPER 的项目科学家 Colaprete 说。

滴剂饮用

科学进步将伴随着不同的项目。如果在 PSR 的表面上或附近可以接触到冰，NASA 希望宇航员可以将其用作饮用水或燃料。美国宇航局目前正计划在 2025 年首次载人阿尔忒弥斯登陆，在 PSR 附近着陆，以便宇航员亲眼看到这种想法的可行性。

“这不是阿波罗计划；我们计划在那里待上整整一个月，”美国宇航局前首席科学家吉姆·格林说。他补充说：“获取材料并在月球上拥有栖息地的概念是可行的。”

科罗拉多矿业学院的空间资源专家凯文·坎农说，有关如何提取和利用水冰的各种建议正在制定中。 “人们正在关注挖掘机、反铲挖掘机和挖掘机等机械系统，”他说。然后将使用集中的阳光或烤箱从挖掘的月球土壤中提取水。另一个想法是“跳过挖掘步骤，直接在某种帐篷里加热地面，”坎农说。

明年年初可能会确认月球上确实存在可接近的冰，第一张图像来自一个永久阴影的月球陨石坑内。到 2023 年底，我们可能会确定它是如何到达那里的。

“有很多基本的东西我们还不明白，”Prem 说。 “我们真的处于起步阶段。”