距離人類上一次載人登月任務已逾半世紀，隨著近日美國太空總署發射阿提米絲 2 號（Artemis II）任務，新一輪月球太空競賽正如火如荼展開，其中美國、俄羅斯與中國皆以在月球建立永久基地為目標。不同於阿波羅計畫期間，美國太空人曾在月球表面六個不同地點著陸，21 世紀的任務幾乎聚焦於月球南極這個特殊地點。約一世紀前，太空先驅者Robert H. Goddard曾提出，月球兩極可能存在冰層沉積，而過去 20 年來蒐集到的間接證據，也支持這項假說。在太空探索中，冰是極具價值的資源。它可被處理成飲用水與灌溉用水，可分解為深空航行任務所需的火箭燃料，甚至可用來研究天體歷史。

近日，以色列魏茲曼研究所地球行星科學系與美國科羅拉多大學、檀香山星球科學研究所的研究人員合作提出新的科學證據，顯示冰已在月球兩極逐步累積至少 15 億年。根據發表於《Nature Astronomy》期刊：月球兩極冰層主要集中於永久陰影區，這些區域中的水分子在熱力學條件下可維持穩定。研究並辨識出月球表面古老的冷阱（cold traps）被列為未來任務的首要目標。

自轉軸傾斜的地球，太陽在天空中的位置會隨季節變化，但不同的是，月球幾乎沒有傾角，因此太陽大致始終位於月球赤道上空。若站在月球兩極，將會看到太陽停留在接近地平線的位置，沿著地平線進行週期性移動，不會出現如同地球上那樣升起與落下的現象。因此，月球兩極那些深且陡峭的隕石坑無法獲得陽光照射與加熱，形成所謂的永久陰影區。

但遠古時期的月球並非如今日一般，那時月球自轉軸傾角曾大得多，但在過去數十億年間逐漸變直。研究指出，自從月球在約 40 億年前經歷卡西尼狀態轉換（Cassini state transition）後，月球傾角逐步下降，造成形成冷阱區域持續擴張。2023 年的研究顯示，隨著月球傾角下降，兩極附近越來越多隕石坑進入永久陰影狀態，並劇烈降溫。透過計算每座隕石坑何時失去陽光照射，學者得以推算各個永久陰影區的年齡。

在此新研究中，研究員們著手檢視永久陰影區的年齡，是否與其表面被冰覆蓋的面積比例有關。冰在特定波長下反射的紫外線比月球岩石表面更多，可藉此推測其位置。紫外線具備優勢，因其不僅來自太陽，也來自遙遠恆星，因此能進入永久陰影區。研究人員利用月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter）上的萊曼α描繪儀（ Lyman-Alpha Mapping Project, LAMP），針對反射紫外線星光資料進行分析。結果顯示，裸露冰層比例與其所在永久陰影區的年齡之間存在強烈相關性。

研究人員表示：「我們發現，一個區域越早進入陰影狀態，可累積冰的面積就越大。數據顯示，這個趨勢至少 15 億年前就開始了，甚至在過去 1 億年間仍舊持續存在。」

研究結果進一步指出，觀察到最年輕的永久陰影區（年齡約 1 億年），其裸露冰面積比例約為 3.4%，此結果支持冰層具有較高比例流失速率的模型。並且可推斷，月球兩極冰層至少在過去約 15 億年間，以幾近持續累積的方式形成，而非源自單一大型撞擊事件。因為若冰不僅要在月球表面形成，還需在數億甚至數十億年間不蒸發並持續存在，必須處於約攝氏零下 160 度的極低溫環境。而全年能夠維持此溫度的區域，被稱為冷阱。雖然許多永久陰影區符合冷阱條件，但部分區域因周圍坑壁會將熱輻射傳入坑內，因此不符合此條件。

為找出最有希望發現月球冰的位置，研究人員利用幾何計算模型，判定哪些永久陰影區同時具備冷阱功能，以及它們在月球歷史上何時轉變為此狀態。

研究人員解釋：某個區域成為冷阱的時間越久，所累積的冰就越多。多數情況下，一座隕石坑進入陰影區與成為冷阱的時間相同，但有時並非絕對如此。舉例來說，沙克爾頓隕石坑（Shackleton Crater）已處於陰影區域中約 35 億年，因此一直被視為尋找月球冰的理想任務地點。然而分析結果發現，該隕石坑大約在 5 億年前才真正成為冷阱。為了尋找未來任務目標，我們嘗試搜尋最古老的冷阱，並在月球南極附近發現數個面積廣闊的大型冷阱，存在歷史超過 33 億年。

這項發現意義重大，因為尋找並採樣月球冰，是美國太空總署未來預估在月球南極著陸的阿提米絲載人任務的重要目標，也是未來建立永久月球基地，作為未來前往火星載人任務的準備基地與中繼站等終極目標的必備條件。

研究人員表示：能夠證明月球存在冰的黃金標準，就是取得冰樣本。這將使我們得以比較月球與地球水的化學組成，也能評估月球載人太空任務是否能夠利用該資源，以及如何利用該資源。

這項研究也為後續探索最古老冷阱提供動機，並指出最佳目標地點，例如在月球南極新辨識出的古老冷阱霍沃思環形山隕石坑（Haworth Crater）。

研究人員表示：未來太空船任務將能從該隕石坑表面蒐集大量冰的資料，而探測車也可進入並採樣沉積冰層。

雖然月球水的來源問題仍未解決，但研究人員建立了一套簡易數學模型，用以探討各種可能性。模型指出，月球表面的冰量受三項過程影響：水的供應、埋藏與流失。研究結果也指出，撞擊翻耕（impact gardening）會擾動月球土壤與岩石，使冰重新分布並埋入地表下方。從觀察結果可發現，較年輕冷阱中的冰相對較少，再加上冰是在數億年間緩慢累積，因此研究人員推論，月球上的供水與失水速度都相對快速，如同持續打開水龍頭，向一個會漏水的桶子注水一般。月球水的另一種可能來源，是月球內部的揮發性水分透過火山活動釋放至表面。此外，另一種可能來源是由氫原子組成的粒子流太陽風，可在月球表面參與化學反應形成水。另一個可能來源則是小行星與彗星撞擊，但是此類事件並非單一災難事件，而是每隔數百萬年持續發生多次撞擊。

研究人員表示：在地球之外找到液態且可使用的水，是天文學最重要的挑戰之一。規劃中的月球任務或許能幫助我們釐清月球水的起源，但也可能幫助我們理解更多事。作為地球的天然衛星，月球是研究地球及其水資源歷史的絕佳實驗室。此外，我們也可能藉此進一步了解那些人類尚未造訪的遙遠行星與衛星上，可能存在的水之組成與分布情況。

資料來源：https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/moon%E2%80%99s-dark-secret-shadowed-cold-traps-could-unlock-mystery-lunar-ice

原始論文：https://doi.org/10.1038/s41550-026-02822-9