自20世纪60年代以来，科学家们一直假设太阳是月球上形成水的成分来源。他们认为，当一股被称为太阳风的带电粒子流撞击月球表面时，会引发一种可能形成水分子的化学反应。
现在，在迄今为止最真实的实验室模拟中，美国宇航局领导的研究人员证实了这一预测。
研究人员在3月17日发表于《JGR行星》杂志的一篇论文中写道，这一发现对美国宇航局“阿尔忒弥斯”计划宇航员在月球南极的行动具有重要意义。月球上的水是探索的关键资源，据信大部分冻结在两极永久阴影区域。
“令人兴奋的是，仅凭月球土壤和来自太阳的基本成分——太阳一直在释放氢气——就有可能形成水，”美国宇航局戈达德太空飞行中心（位于马里兰州格林贝尔特）的研究科学家李夏·杨（Li Hsia Yeo ）说道。“想想就觉得不可思议，”领导这项研究的杨说道。
太阳风源源不断地从太阳吹来。它主要由质子组成，质子是失去电子的氢原子核。太阳风以每小时超过一百万英里的速度席卷整个太阳系。当它在地球上以极光的形式照亮天空时，我们就能看见它的存在。
大多数太阳粒子无法到达地球表面，因为我们的星球有磁屏蔽和大气层来偏转它们。但月球没有这样的保护。正如计算机模型和实验室实验所表明的那样，当质子撞击月球表面（由一种名为风化层的尘埃和岩石物质构成）时，它们会与电子碰撞并重新结合形成氢原子。
然后，氢原子可以迁移穿过月球表面，并与二氧化硅等矿物中已经存在的大量氧原子结合，形成羟基（OH）分子（水的组成部分）和水（H 2 O）分子本身。
科学家在月球上层几毫米深处发现了羟基和水分子存在的证据。这些分子留下了一种化学指纹——在显示光与风化层相互作用的图表上，波浪线中出现了明显的凹陷。然而，凭借现有的工具，很难区分羟基和水，因此科学家使用“水”一词来指代其中一种分子或两种分子的混合物。
许多研究人员认为太阳风是分子出现的主要原因，但微陨石撞击等其他来源也可能产生热量并引发化学反应。
航天器的测量结果已经暗示，太阳风是月球表面水或其成分的主要驱动力。杨教授团队的实验证实了一条关键线索：月球上与水相关的光谱信号会随着一天的进程而变化。
在某些地区，它在较凉爽的早晨会更强烈，并随着表面升温而减弱，这可能是因为水和氢分子四处移动或逃逸到太空。当夜间表面再次冷却时，信号再次达到峰值。这种每日循环表明存在一个活跃的源头——很可能是太阳风——每天都在补充月球上微量的水。
为了验证这一说法是否属实，Yeo 和她的同事、 NASA 戈达德太空飞行中心的研究科学家Jason McLain建造了一台定制装置来检测阿波罗月球样本。该装置首次将所有实验组件都容纳在里面：一台太阳粒子束装置、一个模拟月球环境的真空室和一个分子探测器。他们的发明使研究人员无需像其他实验那样将样本从真空室中取出，避免其暴露在空气中的水分污染中。
麦克莱恩说：“设计这些设备组件并将它们全部装入其中，花费了很长时间，经过多次迭代，但这是值得的，因为一旦我们消除了所有可能的污染源，我们就会知道，这个关于太阳风的几十年前的想法是正确的。”
实验装置由一个定制的真空室组成，该真空室可安装在Nicolet iS50 FTIR光谱仪的样品室内。真空室内，离子枪位于EasiDiff™反射附件上方，该附件用于将红外光引导至样品，并将发出的漫反射光线反射至MCT检测器。样品支架内嵌有加热元件，可根据需要进行调节。
杨和她的同事们使用了1972年美国宇航局阿波罗17号宇航员在月球上采集的两个不同样本的尘埃。他们首先将样本烘烤，以去除可能沾染的水分，并将其密封储存在位于休斯顿美国宇航局约翰逊航天中心的太空样本保管设施和戈达德太空飞行中心的实验室中。然后，他们使用一个微型粒子加速器，用模拟太阳风轰击这些尘埃数天——根据所使用的高剂量粒子计算，这相当于月球上8万年的时间。
他们使用一种叫做光谱仪的探测器来测量灰尘分子反射的光量，从而显示样本的化学成分随时间的变化。
水当量光谱吸收值（
最后，研究小组发现，反射到探测器上的光信号出现了下降，恰好位于电磁波谱红外区域的 3 微米附近，而水通常会在此吸收能量，从而留下明显的特征。虽然他们无法确切地说他们的实验是否产生了水分子，但研究人员在他们的研究中报告说，图表上波浪线的下降形状和宽度表明月球样本中同时产生了羟基和水。
这项研究不仅证明了太阳风质子对月球土壤的羟基化作用，也为进一步研究开辟了许多途径。首先，每个月球样本对相同实验处理的独特光谱响应表明，矿物学和尺寸分数等因素的差异可能对羟基化作用以及月球土壤中所含水量产生重要影响。有人认为，在高能等离子体、辐射和微流星体的剧烈和持续轰击下，尘埃颗粒表面会形成缺陷和悬挂键，从而促进羟基化作用的发生。这对于理解月球上的氢循环，特别是关于原位资源利用的意义重大。进一步研究尘埃大小、矿物学和年龄的作用在这方面具有重要意义。
作者：朗尼·谢赫特曼
美国宇航局戈达德太空飞行中心，马里兰州格林贝尔特。