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是誰藏在月球的土壤裡?NASA 表示:水啦!

PanSci_96
・2020/10/28 ・2664字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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NASA 第一次透過「同溫層紅外線天文台」(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,以下請容我們都稱她為 SOFIA)在月球的暗面上發現水啦!

NASA 首次透過 SOFIA 在月球上找到水。圖/NASA

根據這項發表在《自然天文學》(Nature Astronomy) 的觀測結果,我們可以推斷月亮上的水應該分布在表面各處,而不僅限於陰影遮蔽的地方。

是水!一點點點點的水!

過去我們也曾在月球表面發現了某種形式的氫,但很難區分出水 (H₂O) 與羥基 (OH)。而這一次呢,SOFIA 在不是月球暗面的克拉維斯環形山 (Clavius) 也檢測到了水分子啦!

克拉維斯環形山雖然名字是個「山」,但其實是一個非常大的撞擊坑,也是月球上最古老的地貌結構之一。而根據來自該處的數據,研究者在土中發現了水,濃度約為百萬分之 100 至 412,換算一下為每立方公尺 350 毫升左右。

SOFIA 在克拉維斯環形山 (Clavius) 檢測到了水分子。圖/Nature Astronomy

350 毫升聽起來有點兒多?嗯⋯⋯但撒哈拉沙漠的水量大概是它的 100 倍,不過,雖然水量極為稀少,這次的發現仍然十分重要,因為它翻轉了我們對於月球表面的理解,也指出了一些新的問題,有待我們去探索,像是:到底為何月球上會有水?這些水又是如何在沒有空氣的月球表面保存下來的?

所以說,為什麼月球上竟然會有水?

照理來說,月球上沒有跟地球一樣的大氣層,所以表面若是被太陽照射到,水分都應該散失了,不過,我們現在卻能夠偵測到水,這表示「一定存在著某種水源,也有一些物質將水困於其中。」來自 NASA 戈達德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center) 的博士後研究員凱西·洪尼鮑爾 (Casey Honniball) 表示。

嗯⋯⋯這些水到底是由誰「創造」或帶來的呢?其實啊,有好幾種可能的來源,比如說:落在月球表面的微隕石上頭可能攜帶著少量水分,在撞擊後便讓水沉積在月球表面;又或者可能是太陽風將氫吹到月球表面,而後氫與土壤中的含氧礦物質發生化學反應,進而產生羥基,然後再透過微隕石撞擊時產生的輻射,將羥基轉化為水。

另一方面,這些水到底是如何儲存與累積的,也是值得探討的問題。微隕石撞擊時會產生高溫,可能會將水分子變成小小的珠狀結構,並將其困在土壤當中。又或者,水可能是本來就藏在月球土壤顆粒之中,也因此逃過了陽光的魔掌,得以保存下來。

這是第一次發現月球上有水嗎?

這不是我們第一次在月球上「發現水」,雖然阿波羅 (Apollo) 太空人於 1969 年首次從月球返回時,認為月球是完全乾燥的。不過,早在 2008 年的一次軌道任務中,科學家便在月球暗面的隕石坑中發現了水的痕跡,並於 2009 年發表了相關結果

同年, 為了得到更多月球有水的證據,NASA 撞擊了月球南極的火山口,這次他們發現了與水有關的光譜特徵,但這畢竟是間接而非直接證實月球上有水,無法明確地區分其存在的形式—— H₂O 或 OH。

而這兩個研究方向,都在近期有了新的進展。

科羅拉多大學博爾德分校的行星科學家保羅·海恩 (Paul Hayne) 和他的同事們於《自然天文學》發表研究,透過理論模型和 NASA 月球偵測軌道的數據,計算得出月球的極地地區擁有約 40,000 平方公里的永久陰影區域可能含有水,這些區域大約 60% 位於月球的南半球。這些區域的水可能來自隕石、彗星和其他曾經撞擊到月球表面的物體。雖然大多數的水會蒸發,但是有些水會跟著穿過稀疏的大氣層,到達陰暗的角落,然後才像霜一樣沉積在冰冷的岩石和土壤上。

另一個便是這次 NASA 利用 SOFIA 直接找到了水分子波長的紅外光!主要作者凱西·洪尼鮑爾說:「在 SOFIA 觀測之前,我們知道存在某種水合作用。」但卻無法知道實際上有多少水,以及它的形式為何。

SOFIA 提供了一種看月球的新方法,它是一台安裝在經過改裝的波音 747 飛機上的紅外儀器,該飛機可以在約 14,000 米的距離上航行,其直徑 106 英寸的望遠鏡可以更清晰的觀察宇宙中的紅外線。使用 SOIFA 能夠偵測到紅外線的暗天體照相機 (Faint Object Infrared Camera, FORCAST),SOFIA 可以偵測到水分子特有的特定波長(6.1微米),並在月球正面的克拉維斯環形山發現了相對來說頗高的濃度。

SOFIA 利用紅外線偵測的方式,在克拉維斯環形山發現了相對來說頗高濃度的水。圖/Nature Astronomy

為什麼會用 SOFIA 來找水呢?

其實,SOFIA 本來是拿來觀察遙遠、看不太清楚的物體,像是黑洞啦、星團啦或是星系等等。所以這一次拿來看月球,基本上不屬於她的日常業務範圍。

參與這項計畫的 NASA 艾瑪斯研究中心 (Ames Research Center) 科學家納西姆·朗格瓦拉 (Naseem Rangwala) 表示:「事實上,這是 SOFIA 第一次觀察月球,我們原先甚至沒法確定能否取得可靠數據。」不過,月球上是否有水的問題實在太重要了,讓研究員做出全新的嘗試,而既然這次的測試可行,未來,「我們正計劃更多的飛行以進行更多的觀測。」

SOFIA 的後續飛行任務,將會在其他陽光照射的地方與不同月相中「找水」,以了解月球上的水究竟如何生產、儲存與運輸。而這些蒐集來的數據,將會加入未來的月球任務中,例如 NASA 的 Volatiles Investigating Polar Exploration Rover(簡稱 VIPER),為的是創建首張月球水資源圖,用於人類未來的太空探索任務。

編按:Volatiles Investigating Polar Exploration Rover(簡稱 VIPER)是一種移動機器人,主要執行的任務是在月球的南極漫遊、尋找水冰。不僅如此,VIPER 可以提供水的位置與實際可用的水量等資訊。

「不論是科學上的目的還是對我們的太空人而言,水都是十分寶貴的資源,」NASA 人類探索與運營任務部首席探索科學家雅各·布萊切爾 (Jacob Bleacher) 指出:「如果我們可以利用月球上的資源,那我們進行月球任務時,就能少帶一點水、多帶一點設備,來幫助新的科學發現。」

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月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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為何人類對火星如此執著?火星曾有過生命嗎?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/24 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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火星 vs. 地球

長久以來,人類對火星充滿好奇,火星上有沒有水?那裡住著火星人嗎?這些未知,讓人類發射各種探測器和太空船前往火星,希望一探火星的奧秘!

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山,它比地球上最大的茂納開亞火山(MaunaKea)還巨大,如果從火山底部算起,奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半!火星的直徑大約只有地球的一半,為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢?

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點(hotspot)火山,這類火山的岩漿來自地函,熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動,地球的地殼會移動,這造成熱點穿出地殼的位置改變,時間久後,會形成一長串的火山,其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山,目前大島就位在熱點上,夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老,而且離大島愈遠愈老。

地函熱點往上冒出地殼會形成火山,因為板塊運動,熱點穿出地殼的位置會改變,所以地球上會形成一長串的火山島鏈。火星上沒有板塊運動,熱點冒出的岩漿不斷在地殼上重複累積,形成比地球上高大的火山。圖/麥浩斯出版

地球上因為板塊運動,熱點火山不會長得太大,長到一定程度,就會因為板塊運動移開熱點,沒有熱點提供岩漿,火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同,火星沒有板塊運動,地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出,岩漿在同一熱點一直堆積長高,所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究,火星早期有較厚的大氣,溫度適中,甚至表面有河川流水,跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢?

火星早期曾經有磁場,後來磁場消失,讓火星大氣失去防護,漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小,地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣,大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧,流失到外太空,最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一,而且還持續流失中!

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小,所以散熱較快,造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識,我們才明白地球原來如此特別!

真的有火星人嗎?

人類對火星上有沒有生命充滿想像,其中最有名的可能是帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪,對火星非常著迷。1890 年代,他用自己建造的天文台觀看火星,並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河,建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道,這是火星有智慧生物存在的證據。

目前火星的表面沒有穩定流動的水,不過火星上的水可能在地底下,科學家推測火星生命可能潛藏在地底。圖/麥浩斯出版

1965 年,美國的水手 4 號太空船飛掠火星,發現火星表面一片荒蕪,根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過,火星有生命存在的想法太吸引人,人類還是不斷用各種方式探索火星,尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢?一方面是科學上的原因,希望找到地球外的生命形態,不管這種生命形態是不是跟地球一樣,都是非常重大的發現;另一方面可能是情感上的因素,不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方,孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗,只要有水的地方幾乎都找得到生命,水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖,地表有水流動,所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物,因為水存在火星表面的時間並不長,無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水,不過水還是有可能存在地表下,所以,生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星,不久的將來人類也會登上火星,到時候火星有沒有生命的問題,可能就會有答案。

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版
麥浩斯
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