月球背面有些什麼? “嫦娥”之手將撩開神秘面紗

 

嫦娥一號衛星是我國首顆繞月人造衛星，由中國空間技術研究院承擔研製，預設壽命為1年。

 

嫦娥一號衛星的主要探測目標是：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類型的分佈特點；探測月壤厚度和地球至月亮的空間環境。

 

嫦娥一號衛星于2007年10月24日在西昌衛星發射中心升空，2009年3月1日完成使命，撞向月球預定地點。

 

 

嫦娥二號是中國探月工程二期的技術先導星，于2010年10月1日在西昌衛星發射中心發射升空並順利進入地月轉移軌道。

 

嫦娥二號完成了一系列工程與科學目標，獲得了解析度優於10米月球表面三維影像、月球物質成分分佈圖等資料，2011年4月1日展開拓展試驗，完成進入日地拉格朗日L2點環繞軌道進行深空探測等試驗，此後飛越小行星4179成功進行再拓展試驗，嫦娥二號工程隨之收官。

 

 

嫦娥三號探測器是中國第一個月球軟著陸的無人登月探測器，于2013年12月2日在中國西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭送入太空，當月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，並陸續開展了“觀天、看地、測月”的科學探測和其它預定任務，取得一定成果。

 

2013年12月16日，中國官方宣佈嫦娥三號任務獲得成功。

 

編者按

 

國防科工局最近宣佈，我國嫦娥四號任務已經通過探月工程重大專項領導小組審議通過，正式開始實施。在嫦娥三號探測器取得工程意義上的成功後，按照計劃，嫦娥四號將在2018年發射，實現人類航天器在月球背面的首次著落。

 

古今中外，有關月球的傳説多如天上的星星。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，不讓人看到其真實面目，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？探測月球背面難在哪兒？為什麼要探測月球背面？這些來自“嫦娥”迷們的“月球之問”，將由中國科學院國家天文臺副研究員鄭永春來作答。

 

為何看不到月球背面？

 

月球背面之所以顯得神秘，原因在於我們無法從地球上直接觀測到它。月球為什麼會出現正面和背面，首先要從它的運動説起。

 

月球可以被視作一個剛性的球體，它的運動可分為質心的運動(公轉)和環繞質心的轉動(自轉)兩部分。在研究月球的質心運動時，我們通常將月球和地球近似視為全部品質集中在質心的質點，並且只有彼此相互吸引的引力作用，構成地月系統。

 

由於地球由西向東自轉，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，實際上是月球繞地球在星座間自西向東移動，反映了地球的自轉運動。月球繞地球一週經歷的時間稱為一個“恒星月”，歷時27天7小時43分11.47秒。

 

之所以稱為“恒星月”，因為這是以恒星定標的，即月球從某顆恒星的近旁出發，又返回到該星附近同一位置的時間間隔。月球在自己的軌道上繞地球運行的平均速度為1.02千米/秒。平均每天東移13度。因此，月球每天升起的時間是不同的，有時候白天升起，有時候晚上升起，升起時間平均每天比前一天推遲50分鐘，一個月之後，又恢復原來的升起時間。

 

月球背向地球的半球離地球較遠，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。如果月球自轉週期與繞地球的公轉週期不相等，那麼月球上同一部位受到的地球引力是隨時間變化的，將導致月球不同岩層之間摩擦，逐漸減慢自轉的速度，最終使得月球自轉的週期恰好等於它繞地球公轉的週期，即月球被地球的引力潮汐鎖定。潮汐鎖定後，從地球上看月球，就永遠只能看到月球的一面。

 

月球背面有些什麼？

 

迄今為止，還沒有航天器登陸過月球背面，但科學家並不缺乏月球背面的探測數據。

 

1959年，蘇聯發射的月球2號探測器在飛越月球時，第一次拍到了月球背面的圖像。上世紀六七十年代，美國和蘇聯的月球探測器多次獲得了月球背面圖像，阿波羅8號宇航員以及之後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世紀以來，美國、中國、印度、日本、歐洲的月球探測器對月球進行了更高解析度的詳細探測。自2003年以來的12年中，已經有包括嫦娥一號、二號、三號在內的11個月球探測器飛臨月球，獲得了大量的探測數據。

 

所有這些探月任務都沒有在月球背面發現外星人的基地，也沒有發現任何人工建築物或人為活動的痕跡。月球背面看起來，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域，實際上是一些寬廣的平原，一滴水也沒有。這些區域對太陽光的反射比較弱，看上去比周圍更暗一些，很像地球上的海洋，約佔月表面積的17%。月球上共有22個月海，其中19個分佈在月球的正面。

 

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。根據月球形成的大碰撞學説，46億年前，一顆火星大小的天體撞擊原始地球，撞擊拋射物質在地球軌道形成了月球。月球形成後出現全球性的岩漿熔融，熔融岩漿在冷卻過程中發生結晶和分異，密度較重的物質被下沉到月幔，而密度較輕的物質漂浮在月球表面，冷卻凝固後形成了古老的月殼。月海則是在月殼形成後，從月殼裂縫中涌出的岩漿形成的。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岩，反射率較高，看上去比較明亮。整體上，月陸面積約佔月球表面積的83%。月球正面的月陸與月海面積大致相等，但月球背面月陸佔據著絕對主導地位。

 

不管是月海還是月陸，整個月球表面都分佈著密密麻麻的撞擊坑，記錄著40多億年來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，撞擊坑分佈密度也比正面高，地形更崎嶇。因此，嫦娥四號的著陸區選擇將是一個亟待解決的重要問題。

 

探測月球之背有多難？

 

在月球背面飛行和著陸的探測器，由於月球本身的阻擋，不能直接和地面進行無線電通信。地面控制人員無法了解到飛船的運行狀況，也無法把測控信號傳輸給飛船進行各種操作。

 

如果是飛行在月球上空數十至上百千米高度的探月衛星，在通信中斷的情況下，還可以依照慣性保持原姿態繼續飛行。若是月球車或者登月艙要成功著陸在月背面，則需要實時測量飛行軌道，發送測控信號以調整降落速度和著陸姿態，才能實現安全著陸。因此，要確保嫦娥四號在月球背面安全著陸，首先需發射一顆中繼衛星，建立探測器和地面之間的通信聯繫，通過中繼衛星傳輸數據和發送測控信號。

 

為何要探測月球之背？

 

對天文學研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠天體發出的射電輻射，是研究天體的重要手段，稱為射電觀測。由於這些天體的距離遙遠，電磁信號十分微弱，在地球上，日常生産生活的電磁環境會對射電天文觀測産生顯著干擾。所以天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區，監聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號，因而可以監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，為研究恒星起源和星雲演化提供重要資料。

 

除此之外，月球背面更為古老，保留著更為原始的狀態，具有不同於月球正面的地質構造，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。而地球上經歷了多次滄海桑田，早期地質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記錄中挖掘地球的早期歷史。(本文照片均為資料圖)(鄭永春)