夏威夷大学 首次揭开月球上水的形成！包括化学、物理和物质证据
一项跨学科的研究首次揭示了月球上形成水的化学、物理和物质证据。来自Mānoa夏威夷大学的两个团队合作开展了这个项目：UHMānoa化学系的物理化学家，太阳能化学WM Keck研究实验室和夏威夷地球物理与行星研究所（HIGP）的行星科学家。尽管月球探矿者号和月球硬着陆环形山观测，传感卫星等轨道飞行器发现表明，月球两极存在水冰，但这些水的来源仍不确定。月球水是永久固定在月球的关键条件之一，它既是燃料和能源生产(氢、氧)的原料，也是“饮用水”。
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这项突破性的研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。化学教授Ralf I. Kaiser和HIGP的Jeffrey Gillis-Davis设计了这些实验，以测试太阳风、月球矿物和微陨石撞击产生的氢质子之间的协同作用。对橄榄石样品进行了辐照，橄榄石是一种干矿物，是月球物质的替代物，氘离子是太阳风质子的替代物。即使把温度提高到月球中纬度白天的温度，实验也没有发现任何水形成的痕迹。但是当研究人员加热样品时，检测到了分子氘。
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这表明从太阳风中注入的氘或氢可以储存在月球岩石中。因此，另一种高能来源可能是必要的，以触发月球矿物中的水形成，然后释放出一种可以检测到的气体。第二组氘辐照实验后，激光加热模拟微陨石撞击的热效应。在激光脉冲作用下，气相中出现了与单离子化重水质量荷电比相匹配的离子爆炸现象。温度升高后，激光脉冲继续产生水，这表明橄榄石储存了激光加热释放出重水的前体。为了给这些过程成像，并解释对月球和其他天体更广泛的影响。
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水和它们的前体储存在月球硅酸盐中，并通过(微)陨石撞击释放到气相中。图片：Molecules and data courtesy of Cheng Zhu and Ralf I. Kaiser; background image courtesy of NASA/Goddard/Conceptual Image Lab.
HIGP的石井和约翰·布拉德利希望在高级电子显微镜中心使用聚焦离子束扫描电子显微镜和透射电子显微镜。观察到亚微米大小的表面坑，其中一些部分被盖子覆盖，这表明水蒸气在表面下形成小泡，直到它们破裂，在微陨石撞击时从月球硅酸盐中释放出水。HIGP的Jeffrey Gillis-Davis总结说：总的来说，这项研究增进了我们对月球和太阳系中其他无空气物体(如水星和小行星)上探测到水的起源并理解，并首次为水的形成提供了一个科学合理且已被证实的机制。
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过去二十年收集的观测证据支持月球上存在水。然而，月球水的来源以及产生月球水的化学和/或物理过程仍然是未知。通过实验室模拟实验，证明了微陨石撞击太阳风质子注入无水硅酸盐所引起的热冲击可以产生和释放水。新研究发现对于解释月球上以及谷神星等其他不含空气天体上水的起源，以及解开太阳系中目前的水分布状况，都具有根本性的重要性。在月球表面发现水(H2O)和羟基自由基(OH)的来源，代表着一个基本的、尚未解决的谜题。
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太阳风质子与硅酸盐和氧化物的相互作用被认为是一个关键机制，但实验室实验得出的结果相互矛盾，这表明质子注入本身不足以产生和释放水。通过实验室模拟实验结合成像研究证明，水可以通过快速的高能加热，如微陨石撞击到注入太阳风质子的无水硅酸盐中，有效地生成和释放。这些太阳风质子和微陨石的协同作用在矿物温度为10到300k的情况下通过囊泡释放水，从而为硅酸盐中合成水的关键机制提供了证据。
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博科园｜研究/来自：夏威夷大学马诺阿分校
参考期刊《美国国家科学院院刊》
DOI: 10.1073/pnas.1819600116
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