东京大学研究生院理学系研究科的庄司大悟特任研究员，通过模拟月壤颗粒内部结构的新机制，解开了月球表面水（尤其是H₂O）是如何生成的长期谜题。相关研究成果已发表在《Scientific Reports》期刊上。
图1 H₂O形成于月球表面月壤颗粒中存在的直径数纳米至数十纳米的空隙内（供图：东京大学，庄司大悟制作 (2026)）
多项观测结果显示月球表面存在以OH（羟基）和H₂O形式存在的水。关于月球上水的起源，目前存在多种假说，包括来自岩浆中、陨石携带而来等。其中最具说服力的理论之一是来自太阳风携带的质子（氢原子核），由于月球土壤含有氧原子，降落至月球表面的质子在土壤中减速并与氧结合，从而形成OH。
然而研究表明，H₂O分子需要两个氢原子与一个氧原子结合，仅靠阳子撞击月表产生的H₂O分子数量极为有限。因此研究人员提出了太阳风形成的OH进一步与微陨石撞击催生H₂O，及OH扩散至月表后通过相邻分子结合形成H₂O等假说。
研究团队从H₂O分子大量聚集在月球土壤颗粒中直径数纳米至数十纳米的微小空隙中这一观测结果中获得灵感，通过分子动力学模拟，研究了减速的氢原子接近空隙时会如何反应。
由于空隙内部不存在原子，空隙壁面具有大量未键合电子（臂）的氧原子，即所谓的悬键（dangling bond）。悬键因缺乏结合对象，当氢原子靠近时便会试图与其结合。因此，进入粒子的氢原子会被空隙壁面的氧原子集中捕获，导致壁面形成比其他区域个数密度更高的OH基。当OH基的氧原子捕获另一个氢原子时会形成H₂O，但以往研究认为这种反应频率较低。然而存在空隙时，由于其壁面OH个数密度增加，也就意味着能与两个氢原子结合的氧原子数量也随之增多。
以斜长石为对象的模拟显示，在相当于月球一日（约29.5地球日）的太阳风照射下，空隙周边可形成重量百分比达数%的相对大量的H₂O分子。该结果表明，月球表面无需微陨石撞击或OH扩散等过程即可形成大量H₂O，且土壤颗粒中的空隙是水生成的重要场所。不过，月球表面颗粒中空隙的形成机制仍需进一步研究。
观测发现，部分颗粒空隙的壁面与外部相连（开放式结构）。这类开放空隙壁面形成的H₂O分子比封闭空隙中形成的分子更易逸散，且可能在低温环境中凝结成冰。这表明不同空隙状态形成的水分子的演化路径也存在差异。
月表上水的存在形态将对未来载人探测中水资源的利用方式产生重大影响。本次研究成果为理解月球水体的生成机制及储存方式提供了重要线索，有望直接推动未来载人探测和月球基地建设中水资源利用的研究。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Scientific Reports
论文：Molecular dynamics simulations of solar-wind induced H₂O formation and retention in vesicles of lunar soil
DOI：10.1038/s41598-025-34389-2
