被特朗普嫌弃“亏本”险遭砍掉 月球找水的功勋SOFIA如何完成绝地反击？

10月21日周三，NASA突然发出的一条推特引爆了天文圈子。他们以罕有的激动措辞发出预告称，“下周一将是太空爱好者的大日子”，他们将会发布关于月球“激动人心的新发现”。

这个推特发布后引发了巨大反响，天文爱好者纷纷猜测起，到底是什么大发现，能让NASA如此激动?

周一，NASA如约揭晓谜底，而结果也确如他们所说，这个发现称得上是激动人心。因为，月球上找到水了。

过去我们曾经多次听到过“月球上有水”这种说法，而且也常常伴有各种科学新发现作为佐证。但和过去几次的不同点在于，这次地球人发现的不再是某些形式的氢，也不是被困在某些物质中的羟基，就是水，是实实在在水的分子，是H2O。

顺便提一下，这次发现水的地方，不是过去认为最可能存在的月球阴暗面，而就是在最高温度70-80℃的光照区。

毫无疑问，这是一个“大新闻”。

水是生命之源，且不说水可能意味着地外生命这种遥远的可能，就说近的，中国和美国都已经提出了这几年或十几年间建设月球基地的概念。

月球水分子的发现，无疑为人类建设长期月球基地提供了解决水资源问题最好的方案。

目前，这项研究的详细内容已经以论文的形式，发表在了《自然-天文学》上。文章题目为Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA，即《SOFIA在月球光照面发现了分子水》。

这篇文章里对这次行动介绍地非常清楚，包括发现水分子的位置、水分子储存的形式等。不过，这些内容想必已经有很多文章翻来覆去说得很清楚了。

不过，这次成就的大功臣——SOFIA天文台，似乎有点被“冷落”了。很多人不知道的是，这位大功臣险些在年初被特朗普砍掉了。

SOFIA，有时候音译为索菲亚。它是英语Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy的首字母缩写，原意是平流层红外天文观测站，也叫平流层红外天文台。

这个名字包含了其主要特征，分别是平流层和红外。

过去我们知道的天文台，大多要么是地面上一个巨大的球型建筑物，里面装有一台大口径望远镜;要么是像哈勃或詹姆斯·韦伯望远镜这样，漂浮在无重力的太空中的空间望远镜。

而SOFIA则是介乎两者之间，运作高度为12公里左右的高空，处在大气平流层中。

它是如何做到的呢?答案是，装在飞机上。

虽然SOFIA叫做天文台，但一眼看上去你绝对看不出来，因为它实际上就是一架波音747 SP飞机。

只不过这架飞机和普通的波音747 SP不同，里面既不载人也不运货，而是布满了精密的仪器设备，其中核心是反射望远镜、红外摄像机、光学光度计和红外光谱仪。

之所以采用红外摄像机，是因为宇宙中天体辐射的能量分布不均匀所致。

众所周知，我们平常看到的可见光波长在0.4μm(蓝色)到0.75μm(红色)左右，比0.75μm更长的则是红外线，其中又分为1-3μm的近红外、3-40微米的中红外和40-1000微米的远红外。

在宇宙天体辐射的能量中，只有约一半分布在紫外线到近红外，我们平时看见的可见光占了这一段中的非常小一部分;另一半在中红外到远红外波段。

从紫外线到近红外这段的能量辐射，主要是近邻和遥远星系中的恒星辐射贡献的。

后一半则主要是恒星周围的尘埃吸收恒星的紫外光学辐射，再转移至远红外辐射贡献的。这些尘埃的温度通常比较低，其热辐射的峰值即在远红外。

简单来说，只有像太阳、织女星这样的温度在数千度的恒星，才会辐射出人眼可以接收的可见光，而其余温度非常低的天体，基本上只能通过红外观测。

此外，由于波长较长，红外辐射就可以绕过微小颗粒，穿过宇宙中的尘埃，探测到更多被尘埃气体云深埋的天体。

下图是马头星云的可见光图像(左)和红外光图像(右)。由SOFIA拍摄的红外图像清晰显示了被隐藏在密集星云中的一氧化碳分子(红色区域)以及受到附近恒星辐射影响的碳原子和离子(绿色区域)。

不过，红外辐射也有一个问题。当光波在大气中传播时，某些波会被大气中各种气体成分吸收。其中，红外光就是很容易被吸收的一种。在中红外到远红外波段，绝大多数红外线会被吸收。

因此，使用红外光对宇宙进行探测时，最好能避开大气。

这时候，有钱人就会选择将红外望远镜发射到没有大气的太空去，比如美国的哈勃望远镜、詹姆斯韦伯望远镜。而没钱的人，就只能……看着。

当然，有钱人也不是有钱到随时都能往天上发射几顿重的设备，毕竟詹姆斯韦伯望远镜已经比最初计划跳票10年了，于是之后就有了SOFIA这样的机载天文台，不用的时候就停在地上，要用的时候再起飞。

在SOFIA的工作高度上，超过99%的大气和水汽产生的干扰都将消失，观测效果大大优于地面望远镜。

从下面的大气吸收光谱可以看到，波长2μm以上的光波多数在地面会被大量吸收，但到11千米高空已经大大改善，而SOFIA平时飞行的高度还要再高1千米左右。

具体而言，SOFIA用来测量的核心设备包括1台直径2.7米(可用直径2.5米)的反射望远镜，望远镜内部采用巧妙的设计，在反射中将光线的红外部分分离偏转出来，反射到特定的焦点上，供后续进行红外光谱分析用。

此外，天文台设备还包括3台红外摄像机，分别是覆盖1-5μm的近红外摄像机FLITECAM、覆盖5-40μm的中红外摄像机FORCAST和覆盖42–210μm的远红外摄像机。

机上还配备有光学光度计和各种光谱范围的红外光谱仪。

每次执行任务时，波音747 SP会载着索菲亚会在日落前从美国本土的一处机场起飞，在飞行过程中打开靠近机尾的特制舱门，露出里面的望远镜，仰望星空。

经过1夜的观测后，飞机于天亮时降落在墨西哥的另一处机场，直到黑夜再次降临时返航。

那么，它到底是怎么从月球上找到水的呢?

物质总是处于不停的运动状态之中。即便是看似稳定的分子，内部的原子实际上也在不断运动中。

这种运动本身是带有能量的，根据量子力学理论，微观粒子运动的能量都是量子化的，换句话说，原子的能量如果发生变化(实际上是电子能量的变化)，并不是连续的，而是分成一级一级特定的数值，也就是能级。

任何原子都具有若干个可能的能级，其中，最低的能级称为基态，其余的都称为激发态。

从一个能级到另一个能级的运动被称为跃迁，当从低能级跃迁到高能级时，这个过程需要原子从外界吸收相同能量的光子;反之，从高能级跃迁到低能级时，原子会放出相同能量的光子。

不同的原子跃迁对于不同波段的光波有独特的吸收模式，换句话说，将不同波长的红外光照射到不同物质的分子上，它会吸收某些特定波长的红外光。将吸收过后的红外光画成图谱，就是某物质的红外吸收光谱。

物质的红外光谱就像它的名片一样，每一种光谱只对应一种物质，这样，只要了解了该物质对红外光的吸收情况，就知道它是什么东西。这就是红外光谱分析法，也是SOFIA发现月球水分子的方法。

当然，以上是非常简化后的模型，便于理解。具体的理论要复杂得多，涉及到分子内部振动、转动等运动，以及辐射与物质间的耦合作用等。

文章作者在概述中提到，此前3次太空调查已经分别确定了月球一个代号为3上存在水合作用，但由于选用的光谱仪不适合，它们均只在3μm的波长上发现了独特的吸收特征，而特征是分子水和羟基化合物所共有的。

要确定是不是，必须再找到一个信号，可以将其和羟基化合物区分开。概述提到，“分子水的基本振动在6 μm处产生光谱特征，这是其他羟基化合物所不具备的”。

恰好，SOFIA上的摄像机覆盖从1-210μm波段的红外光观测能力，因此，他们用SOFIA对月球正面光照区进行了观测。只观测了10分钟，他们就发现了水分子的痕迹。

发现分子水的地方就在克拉维斯(Clavius)撞击坑一带，这里也是之前出现了3μm光波吸收特征的地方。

在研究过程中，研究团队还选择了位于赤道的澄海部分区域作为对照组。结果非常理想，克拉维斯撞击坑一带的辐射光谱里确实发现了6 μm波段的辐射带，而澄海对照组就没有，说明前者确实存在水分子。

由于那里位于白天气温70-80℃日照面上，所以他们推定，分子水应该是储存在自然发生的火山玻璃中，或是夹在岩石尘埃的微小颗粒之间，所以才不受极端温度和近真空条件的影响。

至于这些水是从那里来的，文章中没有给出定论，但推测可能是由微陨石撞击从月球岩石中释放出来的游离氧和氢形成的。

有意思的是，这并不是人类第1次观测到月球上有6μm波段的特殊辐射，之前天文学家亨特(G. R. Hunt)和萨里斯贝利(J. W. Salisbury)行1969年就进行的气球观测实验同样显示了这种光谱特征。

遗憾的是，当时2人专注于搜寻月面的矿物特征，并没有在论文中提到这一点，不得不说是个遗憾。

然而，更大的遗憾险些在后面发生。

很多人不知道的是，这台在寻找月球水行动中立下汗马功劳的仪器，险些在今年2月因为“亏钱”被特朗普政府砍掉。他表示，SOFIA科研收益远远赶不上这个项目每年8500万美元的拨款，完全是亏本买卖。

当然，对月球的观测早在2018年8月就已经完成，当时就算把它关掉也不会影响结果。

另外，特朗普的质疑也并非如他过往一样，是表达对科学的敌视，SOFIA确实长期未能达成科研目标。

从2014年正式投入使用到2018年，在这5年中，它平均每年只产出21篇相关的科学论文，是全球29个望远镜项目里排名倒数第2。如果按文章影响论，它更是排在最后。而该项目最初的目标是——每年150篇科学论文。

好在，情况目前有所改善。去年，SOFIA相关论文的发表率已经开始攀升，达到了……33篇。