读特专稿 | 月球上的水藏在石头里！月壤数据透露这些信息

嫦娥五号是我国首次地外天体自动采样返回任务，2020年12月1日，嫦娥五号探测器着陆于月球风暴洋北部（43.06°N, 51.92°W），不仅带回了1731克月壤样品，还带回了采样区的就位探测数据，为我们了解和还原真实的月表环境提供了宝贵资料。

嫦娥五号开展月壤采样和就位探测。图源：国家航天局探月中心

嫦娥五号的科学目标之一是分析月壤物质组成，月壤中的矿物组成对于研究月球内部物质组成和演化、估算月球资源量等具有重要意义。月球矿物探测主要采用高光谱技术，高光谱技术能够记录物质反射和发射的电磁波。不同于人眼仅能感知可见光谱段的电磁波，高光谱传感器能够接收的电磁波谱段更广（从紫外、可见光到红外谱段），从而“识别”人眼无法分辨的物质。由于矿物晶格会吸收特定谱段的电磁波能量，因此矿物具有独一的高光谱“身份证”。

月球矿物光谱分析仪（LMS）是嫦娥五号开展矿物探测的“火眼金睛”，它在采样区实地获取了可见光和近红外谱段的月壤高光谱数据。月球矿物中的铁、钛等过渡金属元素在可见光和近红外谱段会吸收部分电磁波能量，因此LMS能够探测识别月表常见的矿物（辉石、橄榄石、斜长石等）。此外，羟基和水分子会吸收近红外谱段的电磁波能量，因此LMS还能探测月壤中的“水”。

嫦娥五号的“火眼金睛”——月球矿物光谱分析仪。图源：上海技物所

研究团队提出了基于多粒径矿物端元光谱库的稀疏光谱分解方法，用于分析嫦娥五号的LMS高光谱数据，解译了月壤中的矿物类型、含量（丰度）和颗粒大小（粒径），并估算了月壤中的水含量。

研究结果显示，嫦娥五号的采样区含有大量的胶结物和玻璃，丰度高达49.36%，此前，月壤样品在显微镜下的确能看到大量褐色与黄色玻璃粉末。

2月20日拍摄的嫦娥五号月壤中一颗直径只有0.5毫米的玻璃珠的显微照片，玻璃珠表面映出镜头的影像，像只圆圆的眼睛。图源：中科院地质与地球物理研究所

此外，嫦娥五号的采样区还存在辉石（14.08%）、斜长石（18.58%）、钛铁矿（16.11%）和少量的橄榄石（1.86%），这些是典型的月海玄武岩的组成矿物，它们大多来自于月球地下，由火山喷发带到了月表。这些矿物的颗粒普遍很小，其中79.83%矿物粒径小于75微米，因此月壤像灰尘一样非常细。由于月球没有大气层的保护，月壤在长期的物理风化下形成了细小颗粒，例如陨石反复撞击使得月壤不断破碎、高速运动的太阳风粒子对破碎的月壤进行离子注入等。

7月7日拍摄的嫦娥五号月壤中的一颗玄武岩碎片的正交偏光显微照片。图源：中科院地质与地球物理研究所

研究人员估算采样区的平均水含量为67ppm(1ppm为百万分之一)，其中岩石采样区的水含量达207ppm，而月壤采样区几乎不含水，表明岩石比月壤更能储水。嫦娥五号月壤样品研究发现，采样区的水来源于太阳风的质子注入作用（贡献的水含量至少为170ppm），主要以羟基的形式存在。

上述成果为月壤样品的物质组成分析提供了交叉验证数据，也为研究月球风暴洋北部地区的成因和演化历史提供了基础资料。