为什么要去月球背面?

科学世界2019-01-03 17:03:030评

想必今天下午大家的朋友圈都被“嫦娥四号成功着陆月球背面”的消息刷屏了。为什么嫦娥四号会选择去月球背面着陆,关于月球背面一些流传已久的说法是否属实?月球背面还隐藏着哪些未解之谜呢?

月球背面的神秘传说

一直以来,我们经常会听到关于月球背面的各种传言。有人声称,月球背面是外星人的基地,从月球背面的图像中可以识别出外星人的宇宙飞船,甚至发现了美军在二战末期失踪的轰炸机,在百慕大失踪的飞机轮船也都被外星人劫持到了月球背面。他们还声称,美国阿波罗计划中登月的宇航员在月球背面见到了令人吃惊的物体,可能是外星人在月球上的遗留物,等等。也有传言认为,月球内部是空心的,里面是外星人居住的巨大城市。这些以讹传讹的传言经过不断演绎,甚至堂而皇之地登上了正规出版物,让人难辨真假。

出现这些传说的根源在于,我们从地球上观测月球时,看不到月球背面绝大部分区域。因此,在没有月球探测器之前,月球背面一直是一个神秘的未知世界。现在民间流传的月背传说,多源于航天器探月之前。但即便在航天器数十次飞临月球背面,获得大量影像资料之后,很多人仍然能从放大后略显模糊的图像中找到线索,为这些传言提供佐证。

月球为什么会有正面和背面?

月球背面之所以显得神秘,原因在于我们无法从地球上直接观测到月球背面。但月球为什么会有正面和背面?

这要从月球的运动说起。月球可以被视作一个刚性的球体,它的运动可分为质心的运动(公转)和环绕质心的转动(自转)两部分。在研究月球的质心运动时,我们通常将月球和地球近似视为全部质量集中在质心的质点,并且只有彼此相互吸引的引力作用,构成地月系统。从惯性坐标系内观察,地月二体系统的公共质心绕太阳公转,月球和地球又分别绕着公共质心作相互转动。根据二体运动理论可知,月球围绕地球质心作平面椭圆轨道运动。月球和地球的赤道与其轨道的几何关系见下图,其中,月球赤道与月球轨道面的夹角为6°41’;月球轨道与黄道的夹角平均值为5°9’,变化范围在4°57’~5°19’。

月球绕地球的旋转轴和轨道几何关系

由于地球由西向东自转,所以天体都是从东方升起到西方落下。月球也不例外,我们看到的月球东升西落,实际上反映了地球的自转运动。而月球还在围绕地球公转,因此如果我们每天在同一时刻观察月亮,会发现它在星座间自西向东移动。月球绕地球一周经历的时间称为一个“恒星月”,历时27天7小时43分11.47秒。之所以称为“恒星月”,因为这是以恒星定标的,即月球从某颗恒星的近旁出发,又返回到该星附近同一位置的时间间隔。月球在自己的轨道上绕地球运行的平均速度为1.02千米/秒,平均每天东移13°,因此月球每天升起的时间是不同的,有时候白天升起,有时候晚上升起。月亮平均每天比前一天推迟50分钟升起,一个月之后,又恢复原来的升起时间。

月球背向地球的半球离地球较远,受到的地球引力较面向地球的半球小,即月球的腹背受力是不同的。如果月球自转周期与绕地球的公转周期不相等,那么月球上同一部位受到的地球引力是随时间变化的,这将导致月球不同岩层之间的摩擦,逐渐减慢自转的速度,最终使得月球自转的周期恰好等于它绕地球公转的周期,即月球被地球的引力“潮汐锁定”。潮汐锁定后,从地球上看月球,就永远只能看到月球的一面。

由于潮汐锁定,月球自转的周期等于绕地球公转的周期,因此总是同一面朝向地球。

不过,由于月球的天平动(libration),月盘边缘区域有时候会露出一点点侧背。总体上,从地球上可以观测到整个月球表面的59%。

月球的天平动。虽然月球已经被潮汐锁定,总是同一面朝向地球,但依然存在一些轻微的摆动,使得地面上的观测者能够在不同的时间看见到略微不同的月球表面。累积起来,人们从地球上可以观测到月球整个表面的59%。左图为2012年8月2日观测到的月亮,右图为2013年1月27日观测到的月亮。

月球背面不神秘

既然地面观测看不到月球的背面,那怎样才能看到月球背面呢?月球背面和正面究竟有何差异?

今天之前,还没有航天器登陆过月球背面,但我们并不缺乏月球背面的探测数据。科学家已经获得了月球背面的大量探测数据,包括地形地貌、物质成分、表面环境等详细信息。

1959年,苏联发射的月球3号探测器在飞越月球时,第一次拍到了月球背面的图像。20世纪六七十年代,美国和苏联的月球探测器多次获得了月球背面图像,阿波罗计划中登月的宇航员都曾飞过月球背面,从月球上空亲眼看到了月球之背的荒凉景象。

1959年10月7日,苏联的月球3号探测器发回了第一张月球背面的照片

21世纪以来,美国、中国、印度、日本、欧洲的月球探测器对月球进行了更高分辨率的详细探测。2009年6月19日发射的月球勘测轨道器(LRO)已经获得了分辨率优于1米的全月球影像,可以清晰辨认出阿波罗登月时遗留在月球表面的月球车、登月舱等,当然也包括月球背面的高清影像。除登陆月球的着陆器和月球车外,月球探测器大多采用极轨方式运行,即从北极往南极再飞回北极。因此,每一圈飞行中都有半圈在月球背面,半圈在月球正面。

美国LRO探测器拍摄的月球背面

自2003年以来的15年中,已经有包括嫦娥一号、二号、三号在内的11个月球探测器飞临月球,获得了大量的探测数据。遗憾的是,所有这些探月任务都没有在月球背面发现外星人的基地,也没有发现任何人工建筑物或人为活动的痕迹。月球背面看起来只是一片保存了40亿年之久的荒凉大陆。

整体上,月球表面可分为月海和月陆两大地理单元。月海是指月球上大片颜色较深的黑斑区域,它们实际上是一些宽广的平原,一滴水也没有。这些区域对太阳光的反射比较弱,看上去比周围更暗一些,很像地球上的海洋。月球上共有22个月海,约占月表面积的17%,其中19个分布在月球的正面,包括雨海、静海、云海、冷海、风暴洋等,约占整个正面半球表面积的一半,北半球的月海分布尤为显著。月球背面只有东海、莫斯科海和智海等3个月海。

月海是月壳形成后,内部岩浆涌出月表,填充低洼盆地后形成的大型平原。月海平原大多为山脉所包围,类似于地球上的盆地,具有圆形封闭的特点。最典型的例子是雨海,其四周环绕着亚平宁山脉、高加索山脉、阿尔卑斯山脉、朱拉山脉和喀尔巴阡山脉。月海的地势比月陆要低得多,如静海和澄海比月球平均水准面(为一等势面,其半径与采用激光测高得到的月球地形平均半径相等)约低1700米,湿海低5200 米,最低的是雨海东南部,其最深处比月球平均水准面低六千多米。月海中也常见到一些突起的山岭,包括弧形海岭、呈对角线分布的海岭和脉状不规则海岭。

阿波罗17号拍摄的月面照片。这是从雨海平原(近处)向南眺望哥白尼撞击坑(照片上方中部),哥白尼撞击坑的直径为107千米。靠近照片中部的大撞击坑直径20千米。

除月海外,月球上颜色较浅的部分看起来类似地球上的陆地,称为月陆。根据月球形成的大碰撞学说,46亿年前,一颗火星大小的天体撞击原始地球,撞击抛射物质在地球轨道形成了月球。月球形成后出现全球性的岩浆熔融,熔融岩浆在冷却过程中发生结晶和分异,密度较重的物质下沉到月幔,而密度较轻的物质漂浮在月球表面,冷却凝固后形成了古老的月壳。月海则是在月壳形成后,从月壳裂缝中涌出的岩浆形成的。因此,月陆比月海更古老。

月陆的主要成分是密度较轻的斜长岩,反射率较高,看上去比较明亮。月陆的地势一般高出月球水准面约2~3千米,所以也称月球高地。整体上,月陆面积约占月球表面积的83%。月球正面的月陆与月海面积大致相当,但月球背面月陆占据着绝对主导地位。

整个月球表面,不管是月海还是月陆,都分布着密密麻麻的撞击坑,它们是四十多亿年来小天体撞击月球留下的痕迹。月球表面越古老,撞击坑分布密度越大。月陆的撞击坑密度更高,地形更崎岖。

月球正面和背面的比较。正面地形平坦、月海居多;背面颜色较亮,月陆居多,撞击坑分布密度也比正面高,地形更崎岖。图/郑永春

月球表面的岩石类型比地球上要简单得多,在变质岩、火成岩和沉积岩三大岩石类型中,月球上只有火成岩。月海主要是玄武岩,月陆主要是斜长岩,都是由各种硅酸盐矿物和金属氧化物组成,主要包括氧、硅、铁、钙、铝等元素。

嫦娥三号着陆器上的相机拍摄的玉兔号月球车

一些人看到嫦娥一号和二号拍摄的月球照片都是黑白的,就问为什么不拍一些月球的彩色照片回来,可实际上黑白灰才是月球的真实颜色。嫦娥三号着陆器和玉兔号月球车包裹着印有鲜艳五星红旗的金色、银色薄膜登上了月球表面,终于满足了人们在月球上拍彩照的心愿。

为何去月球背面

早在1972年,阿波罗17号完成人类迄今为止的最后一次登月之后,阿波罗17号宇航员,也是一位唯一登月的地质学家哈里森·施密特(Harrison Schmitt)曾建议阿波罗18号飞船登陆月球背面,到齐奥尔科夫斯基撞击坑开展科学考察。

遗憾的是,阿波罗计划实现6次登月之后,产生方向性迷失,实现第7次登月的意义与首次登月不可同日而语,加之技术难度比登陆月球正面要大得多,阿波罗计划就此终止,登陆月球背面的设想没能最终实现。

登陆月球背面比登陆正面究竟难在何处?在月球背面飞行和着陆的探测器,由于月球本身的阻挡,不能直接和地面进行无线电通信。地面控制人员无法了解到飞船的运行状况,也无法把测控信号传输给飞船进行各种操作。如果是飞行在月球上空数十至上百千米高度的探月卫星,在通信中断的情况下,还可以依照惯性保持原姿态继续飞行。但是月球车或者登月舱要成功着陆在月球背面,需要实时测量飞行轨道,发送测控信号以调整降落速度和着陆姿态,才能实现安全着陆。因此,要确保嫦娥四号在月球背面顺利着陆,首先需发射一颗中继卫星“鹊桥号”,建立探测器和地面之间的通信联系,通过中继卫星传输数据和发送测控信号。

对天文学研究而言,月球背面是一片难得的宁静之地。接收遥远天体发出的射电辐射,是研究天体(包括太阳、行星及太阳系外天体)的重要手段,称为射电观测。由于这些天体的距离遥远,电磁信号十分微弱,在地球上,日常生产生活的电磁环境会对射电天文观测产生显著干扰。所以天文学家一直希望找到一片完全宁静的地区,监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。月球屏蔽了来自地球的各种无线电干扰信号,因而在月球背面可以监测到在地面和地球附近的太空中无法分辨的电磁信号,为研究恒星起源和星云演化等提供重要资料。

除此之外,月球背面更为古老,保留着更为原始的状态,具有不同于月球正面的地质构造,对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。而地球上经历了多次沧海桑田,早期地质历史的痕迹早已消失殆尽,我们只能寄望于从月球上仍保存完好的地质记录中挖掘地球的早期历史。

本文节选自《科学世界》2015年第11期

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