在月球上发现水的故事至少持续了20年，多个国家的航天机构参与其中，最终导致在世界各国更新了月球探索计划。
在20世纪的大部分时间里，科学家们都认为月球表面是干燥的。阿波罗探测器带回地球的382公斤岩石和月壤样本也证实了这一点。当他们确实在样本中发现了水的痕迹时，科学家们认为这是来自地球的污染。毕竟，月球表面的任何水都会因为直接暴露在太空的真空中而迅速蒸发。由于月球的重力较低，水蒸气会迅速逃逸到太空中。
然而，月球上的某些地区已经超过10亿年没有阳光了，科学家们认为水可能就在那里。在月球的两极地区，太阳一整天都非常接近当地的地平线，所以即使是一个小的地形特征，如岩石，也能投下很长的影子。同样，边缘呈梯田状的大型陨石坑也很容易阻挡阳光从任何方向进入陨石坑。科学家称这些地方为永久阴影区，简称PSRs，因为它们永远是黑暗的。它们也很冷，这使得它们容易以冰的形式保存水。
科学家们知道彗星和许多类型的小行星都含有水。在太阳系存在的大部分时间里，这些天体一直在不断地轰击行星及其卫星。这就是为什么月球上布满了陨石坑，科学家们认为造成这些陨石坑的小行星和彗星可能在月球上沉积了水。虽然大部分水都蒸发了，但有一部分可能进入了月球两极的PSRs，在那里，就像放在冰箱里一样，它们可以保存数十亿年。
1994年，美国宇航局发射了"克莱门汀号（Clementine）"月球轨道探测器。它的双基地雷达实验（Bistatic Radar Experiment）直接向PSRs发射无线电信号。信号从PSRs上反弹，并被地球上的地面站接收。科学家们发现反射信号的性质与水冰一致，但这些数据并不是决定性的。
美国宇航局在1998年发射了另一个名为“月球勘探者(Lunar Prospector)”的轨道探测器，以查明月球是否隐藏着水冰沉积物。它的中子谱仪发现，许多PSRs土壤中中子的性质与氢原子的存在相对应。这些氢原子是水分子的一部分吗?
有了克莱门汀号和月球探勘者号的数据，科学家们几乎可以肯定月球上一定有水，但他们需要绝对肯定。
月船1号探测器Mini-SAR发现的月球北极可能有水冰沉积物，绿色圆圈标记。版权：NASA
2008年，印度发射了月船1号月球轨道飞行器，开始了行星探索，ISRO为此向世界各地的科学家征集了仪器。
美国国家航空航天局（NASA）设计并建造了其中两个，命名为Mini-SAR和M3。微型合成孔径雷达(Mini-SAR)还发现，来自40多个极地陨石坑的PSRs反射信号的模式与水冰一致。但就像克莱门汀一样，他们不能100%确定手头的数据。
月球矿物学制图仪(Moon Mineralogical Mapper，M3)，一种红外光谱仪，将赢得该奖项。M3不仅在PSRs中检测到水，而且还可以根据表面吸收红外光的方式区分冰、液态水和水蒸气。M3证实了月球上永远存在水。
月球南极(左)和北极(右)的水冰沉积物，用蓝色标记，由月船1号M3仪器绘制。版权：NASA
月船1号轨道飞行器还携带了一个撞击探测器，该探测器故意坠毁在月球南极的PSR附近。据称，当它下降时，它的质谱仪在月球稀薄但存在的大气中检测到了水分子。然而，直到美国宇航局宣布Mini-SAR和M3发现了月球水，ISRO才公布了结果。ISRO随后声称，他们的仪器首先在月球上发现了水。
月船1号月球撞击探测器携带了三种仪器，其中一种是相机。由于探测器在下降时旋转，相机的图像也会旋转，这使得拼接图像成为一项挑战。这幅照片由空间地理学家菲尔·斯托克创作，他从下降图像的视频中抓取帧，并将它们叠加在克莱门汀拍摄的图片上。图片来源:ISRO / DoD / Phil stoook
在这段时间里，科学家们一直在研究月球的其他部分如何也能存在水，而不仅仅是在月球的两极附近。月球不断受到来自太阳的质子流的轰击，月球表面吸收了一些质子流。科学家们认为，月球土壤中的氧气可以与被吸收的质子相互作用产生水，他们应该能够从轨道上探测到这种水分子。同样，月球表面的微陨石不断撞击也会带来或产生水。
1999年，美国宇航局（NASA）的卡西尼号探测器在飞往土星的途中掠过月球。它的红外光谱仪在月球上的大部分纬度都发现了含水矿物，在两极浓度更高。结果与非常干燥的阿波罗样本形成了鲜明的对比。其中一个原因可能是，由于大多数阿波罗着陆点都在赤道附近，白天的高温可能会蒸发掉所有存在的水分。然而，直到10年后月船1号的发现，该团队才发表了他们的发现。
欧洲航天局（ESA）的月船1号上的仪器SARA分析了月球表面反射的质子。和卡西尼号一样，SARA在月球土壤中发现了水/羟基。这一发现对于欧洲航天局的贝皮科伦坡研究水星的任务来说是及时的，该任务携带了两个类似的探测水的仪器。月船1号的M3仪器也在月球上几乎所有的地方检测到了水和羟基分子。
所有这些观察都有一个问题——无法判断仪器检测到的是水(H2O)还是与矿物质结合的羟基(OH)。美国国家航空航天局（NASA）和德国航天局（DLR）的机载索菲亚望远镜可以区分这两者。2020年，它证实了在月球表面非极地地区存在水分子(如H2O)。
科学家们现在知道，即使在非极地地区，月球土壤也含有微量的水。请注意，这里的水比地球上最干燥的沙漠还要少。然而，月球两极的PSRs拥有明显更多的水。
2009年，美国宇航局发射了月球勘测轨道飞行器(LRO)。它还利用机载雷达、紫外线探测器和中子星分光仪探测到了月球两极的水冰。LRO已经绕月飞行了十多年，比其他任何轨道飞行器都要长。LRO团队已经出版了一份广泛的PSRs地图集，为未来在月球上的探索和定居奠定了基础。
与月船1号的撞击探测器一样，LRO也携带了一个名为LCROSS的撞击器。2009年，它的上层故意撞击了月球南极的一个PSRs。LCROSS的另一半跟踪并研究了撞击产生的月尘羽。它被发现含有155公斤的水。
艺术家绘制的LCROSS在2009年撞击月球途中的上部阶段。版权：NASA
LCROSS图像显示了其分离的上层撞击月球造成的喷射羽流。它有155千克的水。版权：NASA
根据这一结果和其他观测结果，科学家估计所有的PSRs加在一起至少有6000亿公斤的水冰，相当于24万个奥林匹克大小的游泳池。
印度的月船2号轨道探测器自2019年起绕月飞行，旨在扩展我们对月球上水的了解。它的增强型红外光谱仪将绘制月球土壤中水浓度的全球高分辨率地图，并确定存在的特定含水矿物质。通过月船2号的长期观测，科学家们希望了解月球土壤含水量是如何随着月球环境的变化而变化的。轨道探测器升级后的雷达将更好地绘制PSRs中的水冰。它的穿透深度是现在的两倍，分辨率也更高，它将量化这些寒冷地区的可获取水量，这是目前还没有人充分做到的。
月球科学和探索界一致认为，我们可以利用月球上的水冰来满足未来的栖息地需求。利用栖息地产生的太阳能，我们还可以把水冰分解成氢和氧，用作火箭燃料。但在我们计划月球上的栖息地之前，我们需要更多地了解月球水冰的确切性质。
近距离探索PSRs的表面任务，如美国宇航局（NASA）即将推出的VIPER探测器，是在月球上建立可持续栖息地的下一个合理步骤。它将对水冰沉积物进行物理研究并绘制地图，不仅可以告诉我们如何提取水以可持续地在月球上生活，还可以让我们深入了解太阳系内部(包括地球)水的历史和起源。
从长远来看，随着我们开发利用水冰的技术，我们不仅可以定居在月球上，还可以横跨太阳系。我们应该庆幸我们最近的邻居有充足的水，因为我们不能永远把所有东西都从地球引力中拖出来。
PS：本文作者Jatan Mehta，最初于2019年发表在The Wire，并于2021年和2022年进行了重大修订，以适应新的发现和发展。
（全文完，翻译by 果然伶俐）