最近NASA公布了在太阳的光照下的月球表面发现了水分子，如果对天文知识稍有了解的人一定会大惑不解，没错，我的第一反应就是：什么鬼，怎么可能？太扯了……
为什么我会有这种反应？我简单介绍一下月球的环境你就能理解了，月球表面重力是地球的1/6，没有磁场保护，导致它大气基本完全流失，其白天（向阳面）表面大气压仅为10^−7Pa，夜晚（背阳面）表面大气压更是低至10^−10Pa，接近真空状态。相比之下，地球海平面的大气压为101325Pa，约为10^5Pa，相差12个数量级……在这样的环境下，日照面的水早就气化流失掉了，根本不可能留在月球表面。
你可能要问，这不还是有大气吗？为什么水就留不住了呢？原因是这些气体并非是月球的原始大气，而是太阳风吹袭月球表面时滞留的部分的氦，和一些从月球内部通过放射衰变产生的较重元素如氩（原子序数18）和氡（原子序数86）等。即使是如此重的元素下，其日照下的气压也仅为10^−7Pa，在这样的气压下，即使处于冰点的冰也会升华气化，何况是处在160°C的高温之下。而如此轻的气态水自然是无法在月球大气中长期逗留的，它们要不是进入永久阴影区固化成冰，就是会被太阳光辐射和太阳风吹走，因此，此次在太阳光照区发现水分子是件非常诡异的事情。
虽然一开始听到消息时，我是不信的，但在详细了解之后，发现这个发现还是很合理的，究竟是怎么一回事？跟着我来了解一下吧。
此次的发现是通过红外光谱分析发现的。我们知道，各种物质都会反射不同波长的光，导致我们看见了不同物体的不同颜色，这是由于这些物体吸收了特定的波长的光，然后其它光则透过或反射，在我们日常的感知里，我们就看到了不同的颜色，但在光谱分析之下，则是吸收了特定的波长的光，这些被吸收的波长的部分就会在连续光谱中留下一些阴影，科学家称这些被吸收的黑色谱线为吸收谱线，而不同的物质产生的吸收谱线是不一样的，每一种元素的吸收谱线不一样，甚至相同元素构成的不同分子的吸收谱线也不一样，科学家称之为特征谱线。（想更详细了解光谱分析的话，可以查看我在8月17日发布的文章《宇宙大爆炸就是由它发现的——光谱分析史话》）下图是太阳光连续光谱被太阳大气吸收后所产生的吸收线。
而这次NASA的发现就是通过水分子的反射光谱发现的。我们知道，水对于可见光基本上是透明的，也就是水分子不吸收任何可见光，但是，任何处于电磁相互作用的物质元素都不可能对所以波长的电磁波透明，水分子自然也不例外，其中最接近可见光波长的红外线就能被水分子吸收，毫无疑问，这次的发现就是通过观测红外线实现的。
此次发现所使用的是一个安装在一架波音747大型客机上的一个口径为2.5米的反射望远镜，称为平流层红外探测天文台，英文缩写SOFIA，所以也被称为索菲亚天文台。它的探测范围为5-8μm（微米）红外波段，波长约为可见光波长（0.4-0.78微米）的10倍。
为了避开大气层里的水蒸气干扰，这架携带了天文望远镜的飞机会飞行到12000米-14000米的高空中中进行天文观测，此处位于大气层中的平流层，SOFIA索菲亚由此得名。
太阳光是一段连续光谱，除了人眼可见的可见光，还有大量的不可见的紫外、红外辐射，索菲亚就专门观测这部分的辐射，红外辐射能穿透一些可见光无法穿透的物质，同时又会被一些可见光能穿透的物质反射，其中水分子就是这样的能透过可见光而反射红外光的物质。
跟很多物质一样，包含氢原子和氧原子的水分子在反射红外线时也会在特定波长产生吸收谱线，在较早的时候，科学家就在月球的向阳面发现了一些拥有特定吸收谱线的氢氧分子，但由于探测设备波长的限制（小于3微米波长）并不确定是否为水分子（H2O），由于一般认为太阳向阳面无法保留水分子，会被太阳紫外线电离，所以科学家怀疑那只是一些羟基（HO）化合物。而这次的索菲亚天文台拥有5-8微米探测范围，这个波长范围覆盖了6.1微米附近的水分子特有特征谱，因此此次探测确定了所探测到的氢氧分子就是水分子H2O。
身份确定了，但问题来了，这些水分子是怎样呆在太阳直射区的？此次探测到水分子的撞击坑位于月球南纬55°以上的高纬度地区，但表面温度依然高达80°C左右，这样的高温加上紫外线的直射，不太可能存在固态、液态甚至气态的水……论文作者给出了一个较为合理的猜测：这些水分子可能是被封闭在一些晶体比如玻璃里的。而这些晶体则可能是由于微小陨石撞击月面时产生的高温下形成，至于里面水分子也是微陨石带来或在撞击过程中在高温下化合形成。
