Стратосферная инфракрасная обсерватория SOFIA впервые обнаружила молекулярную воду в районе одного из кратеров на освещённой Солнцем части поверхности Луны. Это означает, что вода может быть распространена на лунной поверхности не только в холодных «ловушках», закрытых от солнечного света (в виде льда на дне крупных кратеров вблизи полюсов), как считалось раньше.
Долгое время считалось, что воды на Луне нет. Это подтверждалось прежде всего анализами образцов лунного грунта, доставленных «Аполлонами». В них находили воду, но в следовых концентрациях, и многие предполагали, что это — артефакт из-за загрязнения уже после доставки образцов на Землю. Но за последние двадцать лет представления учёных изменились. Основной массив данных по структуре лунных пород сейчас — это результаты съёмки с лунных орбитальных станций, таких как Lunar Reconnaissance Orbiter NASA или индийский аппарат Chandrayaan. В основном для дистанционного зондирования и поисков воды используются радарные камеры (сантиметровые длины волн), а также ближний инфракрасный диапазон, который позволяет выявить именно молекулярные сигнатуры, в частности, понять, что речь идёт о молекулах воды, а не просто об атомах водорода и кислорода (более подробно об этом см. в статье о результатах работы станции Chandrayaan).
Присутствие воды в минералах лунного грунта в связанном виде уже было подтверждено. Также давно предполагается, что частицы водяного льда присутствуют в глубоких кратерах вблизи лунных полюсов, в которые никогда не попадает солнечный свет. Лёд в этом случае может быть как на поверхности, так и на глубине до нескольких метров, скорее всего, перемешанный с реголитом (лунным грунтом). Считалось, что благодаря низким температурам в таких местах (~40 K) ниже порога сублимации лёд просто сохраняется в течение миллиардов лет. Кратер, на дно которого периодически попадает свет Солнца, то есть не слишком глубокий кратер в средних и экваториальных лунных широтах, согласно этим представлениям, ловушкой для льда быть уже не может. Исходя из этого, например, предлагались модели для распределения льда на Луне, в которых учитывалось, насколько хорошо тот или иной участок поверхности спрятан от солнечных лучей. О таком моделировании распределения геологических запасов воды на Луне есть более подробная статья на сайте. Новые данные американо-германской стратосферной обсерватории SOFIA и лунной орбитальной станции NASA Lunar Reconnaissance Orbiter показывают, что лёд на Луне может сохраняться не обязательно «в вечной тени», а «ледяные ловушки» разных размеров, вплоть до сантиметровых, распространены гораздо шире. Результаты двух связанных исследований опубликованы в конце октября 2020 года в одном номере Nature Astronomy.
Молекулярная вода обнаружена в крупном кратере Клавий (Clavius), хорошо различимом с Земли в южном полушарии Луны (статья в Nature Astronomy и пресс-релиз NASA). Предыдущие наблюдения уже установили наличие на Луне водорода в молекулярной форме, но было неясно, содержится ли он в форме воды (H2O) или в виде гидроксильных групп (OH). Эти группы, например, могут входить в состав минералов в породах — использовать такой водный «ресурс» сложнее по сравнению со свободной водой. Выявленные раньше сигналы на характерной полосе поглощения в инфракрасном диапазоне 3 мкм могут соответствовать как одному, так и второму случаю, и различить их на этой длине волны сложно. В этот раз наконец инфракрасная камера на борту обсерватории SOFIA позволила поймать сигнал на длине волны 6,1 мкм — это характерная длина волны в спектре излучения именно для молекул воды. По силе сигнала установили, что концентрация воды в этом месте составляет от 100 до 400 ppm (частей на миллион, или мкг (микрограмм) на грамм породы) — это в 100 раз меньше, чем содержание воды в Сахаре. Исследователи предполагают, что присутствие воды в таких концентрациях на освещённых участках обусловлено геологическими причинами локального характера и вряд ли будет характерным для всей лунной поверхности.
В условиях отсутствия атмосферы на Луне вода на освещённых её участках должна практически сразу улетучиваться в космос. Поэтому нужно предположить, что есть некие механизмы генерации воды в лунных породах, её высвобождения из них, или доставки воды на Луну; также должны быть механизмы, задерживающие испарение. Возможно, воду на Луну приносят микрометеориты, которые постоянно бомбардируют поверхность. Рассматривается и другой источник: солнечный ветер доставляет химические элементы, в том числе водород, на лунную поверхность, и вызывает химические реакции с кислородом в минералах лунного грунта. Это приводит к образованию гидроксильных групп (OH), и под влиянием излучения Солнца или ударной энергии метеоритов эти группы могут преобразовываться в воду. Предполагают, что значительная часть обнаруженной воды может содержаться в микропустотах между зёрнами лунного грунта или в стеклообразном веществе от плавления породы при ударе микрометеорита, и таким образом сохраняется даже под воздействием Солнца.
В «парном» исследовании, опубликованном в этом же выпуске Nature Astronomy, на основе данных по распределению температур и рельефу Луны от Lunar Reconnaissance Orbiter рассматривается теоретическая модель распределения «холодных микроловушек» — постоянно затенённых участков рельефа с размерами от километров до сантиметров, в которых может сохраняться лёд. Таких участков оказалось значительно больше, чем думали раньше, и они не ограничены глубокими кратерами вблизи полюсов. По оценкам, 0,1 % поверхности Луны (около 40 тысяч кв.км) может быть занято такими микроловушками, способными удерживать лёд. Основная часть «холодных ловушек» сосредоточена в высоких широтах > 80°. С другой стороны, кратер Клавий с обнаруженными «запасами» воды расположен в гораздо более тёплом регионе на широте 60° (по земным меркам — почти как Петербург по сравнению со Шпицбергеном, только в южном полушарии).
Основное назначение этой обсерватории на самолёте — наблюдение за удалёнными космическими объектами — звёздными скоплениями и целыми галактиками. Исследование Луны не входило в исходные задачи, и идея направить камеры на Луну пришла позже. Изначально было неясно, можно ли с помощью инструментов, предназначенных для звёзд, проводить наблюдения за Луной. Точное позиционирование такого телескопа обычно выполняется «по звёздам» — камера наведения использует несколько звёзд как ориентиры для определения координат. Луна — слишком яркий и крупный объект, он занимает почти всё поле зрения камеры; поэтому было неизвестно, удастся ли получить надёжные данные с привязкой к участку на Луне. Этот цикл наблюдений во время одного из полётов в августе 2018 года, таким образом, был пилотным экспериментом, но он оказался удачным и даже привёл к открытию, поэтому исследование Луны станет ещё одной целью проекта. Во время последующих полётов обсерватория SOFIA будет искать следы воды на других освещённых участках лунной поверхности и проводить замеры для разных условий и фаз Луны.
Готовящийся проект NASA VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) предполагает высадку в декабре 2022 года роботизированного ровера вблизи южного полюса Луны. Ровер будет исследовать распределение льда в лунном грунте, и проект станет первым проектом картирования природных ресурсов на небесном теле.