阴影摄像机和宇宙射线揭示月球隐藏的冰

科学家们正在使用尖端技术追踪月球上的水冰——这是未来太空任务的重要资源。夏威夷大学的一个团队利用“影子摄像机”（ShadowCam）观测月球永久黑暗的陨石坑，精确估算了月球表面冰的含量。另一个团队则引入了一种基于宇宙射线的方法来探测深埋的冰，这是月球探索领域的一项突破。

艺术家绘制的未来宇宙射线雷达仪器的示意图，该仪器将安装在绕月卫星上。图片来源：夏威夷大学马诺阿分校物理系 Christian Miki

这两种方法都可能彻底改变我们在地球以外寻找可用水资源的方式，而夏威夷正逐渐成为日益壮大的太空前沿领域的关键参与者。

科学家和太空研究人员正在努力确定月球上水冰的存在位置和数量。水冰是未来月球任务的关键资源。它可以维持人类生命，并分解成氢和氧来制造火箭燃料。为了推进这项工作，夏威夷大学马诺阿分校的研究人员正在测试两种探测月球冰的尖端方法。

ShadowCam：窥视月球最黑暗的角落

夏威夷大学马诺阿分校海洋与地球科学与技术学院（SOEST）夏威夷地球物理与行星学研究所（HIGP）的科学家李帅此前的研究发现了月球永久阴影区域存在水冰的证据，尤其是在其南北极附近。在此基础上，李帅实验室的研究生乔丹·安藤（Jordan Ando）领导了一项新研究，分析了使用名为“影子相机”（ShadowCam）的专用仪器拍摄的图像。该相机是韩国航空航天研究院发射的“韩国月球探路者”轨道器的一部分。

由于月球极地陨石坑从未受到阳光直射，一些区域始终处于阴影之中。然而，光线可以从陨石坑被照亮的壁面反射，并微弱地照亮另一侧。ShadowCam 的设计初衷就是探测这些光线昏暗的区域，这使得它非常适合研究月球最黑暗的区域。

艺术家描绘的月球寒冷永久阴影区域下方可能存在大量埋藏冰层。夏威夷大学马诺阿分校研究人员的技术可能首次揭示5-10米深处存在薄冰层的证据。图片来源：Costello 等人，2025。

“冰通常比岩石更亮，也就是说，它反射的光线更多，”安藤说。“我们分析了这台高灵敏度相机拍摄的高质量图像，仔细观察了这些永久阴影区域，并探究这些区域的水冰是否会导致地表普遍变亮。”

虽然阴影区域的冰并没有显著增亮月球表面，但该团队对“影子相机”图像的分析有助于精确估计月球表面可能存在的冰量。李之前的方法表明，月球表面含有5%到30%的水冰。对“影子相机”图像的分析缩小了范围，表明水冰在月球表面的含量不到20%。

除了对月球表面冰层的研究之外，夏威夷大学马诺阿分校的另一组研究人员与 HIGP 和物理与天文系最近在《地球物理研究快报》上发表了一项研究，概述了一种探测月球两极埋藏冰层的创新方法。

“我们最近的研究表明，利用自然产生的宇宙射线可以开发一种探测月球地下水冰的新技术，”该研究的主要作者、HIGP博士后研究员艾米丽·S·科斯特洛（Emily S. Costello）说道。“这些超高能宇宙射线撞击月球表面并穿透至地下层。这些射线会发射雷达波，这些雷达波会从地下的冰层和岩石层反射回来，我们可以利用这些雷达波推断月球表面以下的情况。”

研究人员对月球南北两极永久阴影区域进行了水冰探测。图片来源：李帅

该团队使用先进的计算机模拟来测试雷达波如何穿过月球土壤以及如何编码有关可能的埋藏冰层的信息。

“这种在月球上寻找水冰的方法是全新的，非常令人兴奋，”该研究的合著者克里斯蒂安·泰·乌多维奇（Christian Tai Udovicic）在最近于德克萨斯州休斯顿举行的月球和行星科学大会上展示了这一发现，他说道。“由于它依赖于世界上只有少数科学家精通的高能物理学，即使是正在研究寻找月球水冰方法的行星科学家，在听到这种技术时也常常感到惊讶。”

HIGP 和物理系的研究人员团队正在组装一种专门用于监听月球信号的雷达仪器，并希望在 2026 年初之前测试整个系统。他们将寻找机会将其送上月球，希望首次探测到月球上大量埋藏的水冰沉积物。

科斯特洛表示：“夏威夷正日益成为太空探索，尤其是月球探索的中心。这些由夏威夷大学马诺阿分校科学家领导的项目，为夏威夷的学生和专业人士提供了引领和参与新兴太空产业的崭新机遇。”

编译自/scitechdaily