觀察者網(wǎng)23日從中國科學(xué)院物理研究所了解到，我國科研人員近日在嫦娥五號(hào)帶回的月球樣本中，發(fā)現(xiàn)了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著首次在月壤中未知礦物晶體ULM-1發(fā)現(xiàn)了分子水，同時(shí)揭示了水分子和銨在月球上的真實(shí)存在形式。

中國科學(xué)院物理研究文章稱，月球上是否存在水對(duì)于月球演化和資源開發(fā)至關(guān)重要，并引發(fā)了學(xué)術(shù)界長達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的研究探索。對(duì)1969年-1972年采集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發(fā)現(xiàn)任何含水礦物。此后，月球不含水成為月球科學(xué)的基本假設(shè)，對(duì)于認(rèn)識(shí)月球火山演化，月地起源等問題產(chǎn)生了重大影響。直到1994年，“克萊門汀” 探測(cè)器對(duì)月球兩極進(jìn)行觀測(cè)，認(rèn)為極區(qū)永久陰影區(qū)的月壤中可能存在水冰。2009年，“月船一號(hào)”搭載的月球礦物繪圖光譜儀發(fā)現(xiàn)月球表面存在太陽風(fēng)導(dǎo)致的羥基（OH-）和/或水分子信號(hào)。同年，“月球觀測(cè)和傳感衛(wèi)星”（LCROSS）以2.5公里/秒的速度撞擊了月球永久陰影區(qū)，對(duì)撞擊塵埃的遙感測(cè)量顯示了水的信號(hào)。最近，遙感數(shù)據(jù)表明月球光照區(qū)也有水分子存在的跡象。針對(duì)當(dāng)年采集的阿波羅月球樣品，人們近年來運(yùn)用高靈敏度的表征技術(shù)，在部分玻璃和礦物中發(fā)現(xiàn)了PPM（百萬分之一）量級(jí)的“水”（H+，OH-或H2O），但沒有水分子存在的確鑿證據(jù)。

我國嫦娥5號(hào)采集的月壤樣品屬于最年輕的玄武巖（~20億年），并且是迄今為止緯度最高的月球樣品，為月球水的研究提供了新的機(jī)遇。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心陳小龍研究員，金士鋒副研究員、博士生郝木難等與北京科技大學(xué)郭中楠副教授，天津大學(xué)殷博昊工程師，中國科學(xué)院青海鹽湖所馬云麒研究員，鄭州大學(xué)鄧麗君工程師等合作，在嫦娥五號(hào)帶回的月球樣本中，發(fā)現(xiàn)了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體：ULM-1（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著首次在月壤中發(fā)現(xiàn)了分子水，同時(shí)揭示了水分子和銨在月球上的真實(shí)存在形式。

圖1. ULM-1的照片和成分組成。a. CE5土壤樣本的照片，b.ULM-1單晶照片，c. EDS光譜，d. EPMA光譜，e.拉曼光譜，f. IR光譜。?

基于單晶衍射和化學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這些月球水和銨以一種成分為(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O的水合礦物形式出現(xiàn)（圖1）。該礦物分子式中含有多達(dá)六個(gè)結(jié)晶水，水分子在樣品中的質(zhì)量比高達(dá)41%（圖2）。在紅外和拉曼光譜上，均可以清晰地觀察到源于水分子和銨的特征振動(dòng)峰（圖1）。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫（圖2）。ULM-1的晶體結(jié)構(gòu)和組成與地球上近年來發(fā)現(xiàn)的一種稀有火山口礦物相似。在地球上，該礦物是由熱玄武巖與富含水和氨的火山氣體相互作用形成，這一發(fā)現(xiàn)為月球上的水和氨的來源提供了新的線索。

圖2.ULM-1的晶體結(jié)構(gòu)和電荷密度。

為了確保這一發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，研究人員進(jìn)行了嚴(yán)格的化學(xué)和氯同位素（37Cl/35Cl）分析。納米二次離子質(zhì)譜（NanoSIMS）數(shù)據(jù)表明，該礦物的Cl同位素組成和地球礦物顯著不同，其δ37Cl值高達(dá)24‰，與月球上的礦物相符（圖3）。對(duì)該礦物化學(xué)成分和形成條件的分析，進(jìn)一步排除了地球污染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。該六水礦物的存在對(duì)于月球火山氣體的組成給出重要的約束。基于熱力學(xué)分析，當(dāng)時(shí)月球火山氣體中水的含量下限與目前地球中最為干燥的Lengai火山相當(dāng)（圖4），這對(duì)于我們理解月球的演化過程具有重要意義。這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個(gè)復(fù)雜的月球火山脫氣歷史。

圖3.不同地球和地外行星物質(zhì)中氯同位素的分布。

圖4.ULM-1結(jié)晶對(duì)月球火山氣體中水逸度的限制。

這種水合礦物的發(fā)現(xiàn)還為我們揭示了月球上水分子可能存在的一種形式——水合鹽。與易揮發(fā)的水冰不同，這種水合物在月球高維度地區(qū)（嫦娥5號(hào)采樣點(diǎn)）非常穩(wěn)定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區(qū)，也可能存在這種穩(wěn)定的水合鹽，為月球資源的利用和探索提供了更為廣闊的前景。月球表面水合礦物的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著對(duì)月球水和銨研究的重大突破，也為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。

相關(guān)成果以“Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang'e-5 lunar sample”為題 在線發(fā)表于 Nature Astronomy 2024，金士鋒副研究員和郝木難為共同第一作者，陳小龍研究員為通訊作者。探月與航天工程中心為該研究提供了月壤樣品（CE5C0400），該研究得到了中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007-2），中國科學(xué)院網(wǎng)信專項(xiàng)（CAS-WX2021SF-0102）等項(xiàng)目的資助。