月球背面有些什么? “嫦娥”之手將撩開神秘面紗

 

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆繞月人造衛(wèi)星，由中國(guó)空間技術(shù)研究院承擔(dān)研制，預(yù)設(shè)壽命為1年。

 

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的主要探測(cè)目標(biāo)是：獲取月球表面的三維立體影像；分析月球表面有用元素的含量和物質(zhì)類型的分布特點(diǎn)；探測(cè)月壤厚度和地球至月亮的空間環(huán)境。

 

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星于2007年10月24日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，2009年3月1日完成使命，撞向月球預(yù)定地點(diǎn)。

 

 

嫦娥二號(hào)是中國(guó)探月工程二期的技術(shù)先導(dǎo)星，于2010年10月1日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空并順利進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。

 

嫦娥二號(hào)完成了一系列工程與科學(xué)目標(biāo)，獲得了分辨率優(yōu)于10米月球表面三維影像、月球物質(zhì)成分分布圖等資料，2011年4月1日展開拓展試驗(yàn)，完成進(jìn)入日地拉格朗日L2點(diǎn)環(huán)繞軌道進(jìn)行深空探測(cè)等試驗(yàn)，此后飛越小行星4179成功進(jìn)行再拓展試驗(yàn)，嫦娥二號(hào)工程隨之收官。

 

 

嫦娥三號(hào)探測(cè)器是中國(guó)第一個(gè)月球軟著陸的無(wú)人登月探測(cè)器，于2013年12月2日在中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭送入太空，當(dāng)月14日成功軟著陸于月球雨海西北部，15日完成著陸器巡視器分離，并陸續(xù)開展了“觀天、看地、測(cè)月”的科學(xué)探測(cè)和其它預(yù)定任務(wù)，取得一定成果。

 

2013年12月16日，中國(guó)官方宣布嫦娥三號(hào)任務(wù)獲得成功。

 

編者按

 

國(guó)防科工局最近宣布，我國(guó)嫦娥四號(hào)任務(wù)已經(jīng)通過(guò)探月工程重大專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組審議通過(guò)，正式開始實(shí)施。在嫦娥三號(hào)探測(cè)器取得工程意義上的成功后，按照計(jì)劃，嫦娥四號(hào)將在2018年發(fā)射，實(shí)現(xiàn)人類航天器在月球背面的首次著落。

 

古今中外，有關(guān)月球的傳說(shuō)多如天上的星星。雖然月球距離地球最近，人們用肉眼就能看到它東升西落的身影，但它卻一直蒙著層神秘的面紗，若隱若現(xiàn)，不讓人看到其真實(shí)面目，讓人探究之心與日俱增。

 

為何在地球上看不到月球背面？月球背面有何神奇之處？探測(cè)月球背面難在哪兒？為什么要探測(cè)月球背面？這些來(lái)自“嫦娥”迷們的“月球之問(wèn)”，將由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員鄭永春來(lái)作答。

 

為何看不到月球背面？

 

月球背面之所以顯得神秘，原因在于我們無(wú)法從地球上直接觀測(cè)到它。月球?yàn)槭裁磿?huì)出現(xiàn)正面和背面，首先要從它的運(yùn)動(dòng)說(shuō)起。

 

月球可以被視作一個(gè)剛性的球體，它的運(yùn)動(dòng)可分為質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)(公轉(zhuǎn))和環(huán)繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)(自轉(zhuǎn))兩部分。在研究月球的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們通常將月球和地球近似視為全部質(zhì)量集中在質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)，并且只有彼此相互吸引的引力作用，構(gòu)成地月系統(tǒng)。

 

由于地球由西向東自轉(zhuǎn)，所以天體都是從東方升起到西方落下。月球也不例外，我們每天看到的月球東升西落，實(shí)際上是月球繞地球在星座間自西向東移動(dòng)，反映了地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。月球繞地球一周經(jīng)歷的時(shí)間稱為一個(gè)“恒星月”，歷時(shí)27天7小時(shí)43分11.47秒。

 

之所以稱為“恒星月”，因?yàn)檫@是以恒星定標(biāo)的，即月球從某顆恒星的近旁出發(fā)，又返回到該星附近同一位置的時(shí)間間隔。月球在自己的軌道上繞地球運(yùn)行的平均速度為1.02千米/秒。平均每天東移13度。因此，月球每天升起的時(shí)間是不同的，有時(shí)候白天升起，有時(shí)候晚上升起，升起時(shí)間平均每天比前一天推遲50分鐘，一個(gè)月之后，又恢復(fù)原來(lái)的升起時(shí)間。

 

月球背向地球的半球離地球較遠(yuǎn)，受到的地球引力較面向地球的半球小，即月球的腹背受力是不同的。如果月球自轉(zhuǎn)周期與繞地球的公轉(zhuǎn)周期不相等，那么月球上同一部位受到的地球引力是隨時(shí)間變化的，將導(dǎo)致月球不同巖層之間摩擦，逐漸減慢自轉(zhuǎn)的速度，最終使得月球自轉(zhuǎn)的周期恰好等于它繞地球公轉(zhuǎn)的周期，即月球被地球的引力潮汐鎖定。潮汐鎖定后，從地球上看月球，就永遠(yuǎn)只能看到月球的一面。

 

月球背面有些什么？

 

迄今為止，還沒有航天器登陸過(guò)月球背面，但科學(xué)家并不缺乏月球背面的探測(cè)數(shù)據(jù)。

 

1959年，蘇聯(lián)發(fā)射的月球2號(hào)探測(cè)器在飛越月球時(shí)，第一次拍到了月球背面的圖像。上世紀(jì)六七十年代，美國(guó)和蘇聯(lián)的月球探測(cè)器多次獲得了月球背面圖像，阿波羅8號(hào)宇航員以及之后登月的阿波羅宇航員都飛到了背面，從月球上空親眼看到了月球之背的荒涼景象。

 

21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)、中國(guó)、印度、日本、歐洲的月球探測(cè)器對(duì)月球進(jìn)行了更高分辨率的詳細(xì)探測(cè)。自2003年以來(lái)的12年中，已經(jīng)有包括嫦娥一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)在內(nèi)的11個(gè)月球探測(cè)器飛臨月球，獲得了大量的探測(cè)數(shù)據(jù)。

 

所有這些探月任務(wù)都沒有在月球背面發(fā)現(xiàn)外星人的基地，也沒有發(fā)現(xiàn)任何人工建筑物或人為活動(dòng)的痕跡。月球背面看起來(lái)，只是一片保存了40億年之久的荒涼大陸。

 

整體上，月球表面可分為月海和月陸兩大地理單元。月海是指月球上大片顏色較深的黑斑區(qū)域，實(shí)際上是一些寬廣的平原，一滴水也沒有。這些區(qū)域?qū)μ?yáng)光的反射比較弱，看上去比周圍更暗一些，很像地球上的海洋，約占月表面積的17%。月球上共有22個(gè)月海，其中19個(gè)分布在月球的正面。

 

除月海外，月球上顏色較淺的部分類似地球上的“陸地”，稱為月陸。根據(jù)月球形成的大碰撞學(xué)說(shuō)，46億年前，一顆火星大小的天體撞擊原始地球，撞擊拋射物質(zhì)在地球軌道形成了月球。月球形成后出現(xiàn)全球性的巖漿熔融，熔融巖漿在冷卻過(guò)程中發(fā)生結(jié)晶和分異，密度較重的物質(zhì)被下沉到月幔，而密度較輕的物質(zhì)漂浮在月球表面，冷卻凝固后形成了古老的月殼。月海則是在月殼形成后，從月殼裂縫中涌出的巖漿形成的。因此，月陸比月海更古老。

 

月陸的主要成分是密度較輕的斜長(zhǎng)巖，反射率較高，看上去比較明亮。整體上，月陸面積約占月球表面積的83%。月球正面的月陸與月海面積大致相等，但月球背面月陸占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)地位。

 

不管是月海還是月陸，整個(gè)月球表面都分布著密密麻麻的撞擊坑，記錄著40多億年來(lái)小天體撞擊月球留下的痕跡。月球正面以地形平坦、月海居多，背面顏色較亮，月陸居多，撞擊坑分布密度也比正面高，地形更崎嶇。因此，嫦娥四號(hào)的著陸區(qū)選擇將是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

 

探測(cè)月球之背有多難？

 

在月球背面飛行和著陸的探測(cè)器，由于月球本身的阻擋，不能直接和地面進(jìn)行無(wú)線電通信。地面控制人員無(wú)法了解到飛船的運(yùn)行狀況，也無(wú)法把測(cè)控信號(hào)傳輸給飛船進(jìn)行各種操作。

 

如果是飛行在月球上空數(shù)十至上百千米高度的探月衛(wèi)星，在通信中斷的情況下，還可以依照慣性保持原姿態(tài)繼續(xù)飛行。若是月球車或者登月艙要成功著陸在月背面，則需要實(shí)時(shí)測(cè)量飛行軌道，發(fā)送測(cè)控信號(hào)以調(diào)整降落速度和著陸姿態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)安全著陸。因此，要確保嫦娥四號(hào)在月球背面安全著陸，首先需發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星，建立探測(cè)器和地面之間的通信聯(lián)系，通過(guò)中繼衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)和發(fā)送測(cè)控信號(hào)。

 

為何要探測(cè)月球之背？

 

對(duì)天文學(xué)研究而言，月球背面是一片難得的寧?kù)o之地。接收遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的射電輻射，是研究天體的重要手段，稱為射電觀測(cè)。由于這些天體的距離遙遠(yuǎn)，電磁信號(hào)十分微弱，在地球上，日常生產(chǎn)生活的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)射電天文觀測(cè)產(chǎn)生顯著干擾。所以天文學(xué)家一直希望找到一片完全寧?kù)o的地區(qū)，監(jiān)聽來(lái)自宇宙深處的微弱電磁信號(hào)。月球背面屏蔽了來(lái)自地球的各種無(wú)線電干擾信號(hào)，因而可以監(jiān)測(cè)到地面和地球附近的太空無(wú)法分辨的電磁信號(hào)，為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。

 

除此之外，月球背面更為古老，保留著更為原始的狀態(tài)，具有不同于月球正面的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)研究月球和地球的早期歷史具有重要價(jià)值。而地球上經(jīng)歷了多次滄海桑田，早期地質(zhì)歷史的痕跡早已消失殆盡，我們只能寄望于從月球上仍保存完好的地質(zhì)記錄中挖掘地球的早期歷史。(本文照片均為資料圖)(鄭永春)