東京大學研究生院理學系研究科的莊司大悟特任研究員，通過模擬月壤顆粒內部結構的新機制，解開了月球表面水（尤其是H₂O）是如何生成的長期謎題。相關研究成果已發表在《Scientific Reports》期刊上。
圖1 H₂O形成於月球表面月壤顆粒中存在的直徑數奈米至數十奈米的空隙內（供圖：東京大學，莊司大悟製作 (2026)）
多項觀測結果顯示月球表面存在以OH（羥基）和H₂O形式存在的水。關於月球上水的起源，目前存在多種假說，包括來自岩漿中、隕石攜帶而來等。其中最具說服力的理論之一是來自太陽風攜帶的質子（氫原子核），由於月球土壤含有氧原子，降落至月球表面的質子在土壤中減速並與氧結合，從而形成OH。
然而研究表明，H₂O分子需要兩個氫原子與一個氧原子結合，僅靠陽子撞擊月表產生的H₂O分子數量極為有限。因此研究人員提出了太陽風形成的OH進一步與微隕石撞擊催生H₂O，及OH擴散至月表後通過相鄰分子結合形成H₂O等假說。
研究團隊從H₂O分子大量聚集在月球土壤顆粒中直徑數奈米至數十奈米的微小空隙中這一觀測結果中獲得靈感，通過分子動力學模擬，研究了減速的氫原子接近空隙時會如何反應。
由於空隙內部不存在原子，空隙壁面具有大量未鍵合電子（臂）的氧原子，即所謂的懸鍵（dangling bond）。懸鍵因缺乏結合對象，當氫原子靠近時便會試圖與其結合。因此，進入粒子的氫原子會被空隙壁面的氧原子集中捕獲，導致壁面形成比其他區域個數密度更高的OH基。當OH基的氧原子捕獲另一個氫原子時會形成H₂O，但以往研究認為這種反應頻率較低。然而存在空隙時，由於其壁面OH個數密度增加，也就意味著能與兩個氫原子結合的氧原子數量也隨之增多。
以斜長石為對象的模擬顯示，在相當於月球一日（約29.5地球日）的太陽風照射下，空隙周邊可形成重量百分比達數%的相對大量的H₂O分子。該結果表明，月球表面無需微隕石撞擊或OH擴散等過程即可形成大量H₂O，且土壤顆粒中的空隙是水生成的重要場所。不過，月球表面顆粒中空隙的形成機制仍需進一步研究。
觀測發現，部分顆粒空隙的壁面與外部相連（開放式結構）。這類開放空隙壁面形成的H₂O分子比封閉空隙中形成的分子更易逸散，且可能在低溫環境中凝結成冰。這表明不同空隙狀態形成的水分子的演化路徑也存在差異。
月表上水的存在形態將對未來載人探測中水資源的利用方式產生重大影響。本次研究成果為理解月球水體的生成機制及儲存方式提供了重要線索，有望直接推動未來載人探測和月球基地建設中水資源利用的研究。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Molecular dynamics simulations of solar-wind induced H₂O formation and retention in vesicles of lunar soil
DOI：10.1038/s41598-025-34389-2
