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                    【深度解讀】中秋“九問”|一文讀懂關于“月球”的那些事兒

                    來源:中國數字科技館

                      2020庚子年的中秋節恰逢國慶節。你知道嗎?下次國慶節再遇中秋佳節,最快要等到2031年。

                      中秋佳節,金樽對月,關于月球,你是否有下面的這些疑問呢?

                    中秋;月球

                      一問:月球為何只一面示人?

                      凝視皓月,月面上似有玉兔嬉戲。其實那暗的區域是地勢低一些的月海,明亮的則是地勢較高的月陸,從古至今生活在地球上的生命看到的都是月亮的這一面。月球背面似乎被有意隱藏了起來。

                    月球;中秋

                    這是8月3日在成都拍攝的滿月(圖片來源:新華網

                      月球與地球形成距離太陽最近的行星-衛星系統(金星據說也曾有衛星,地月間的潮汐力不斷地改變著地球與月球的運動速度。由于月球質量比地球小,這個變化更加明顯。地月系統形成初期,月球自轉一周的時間要比現在的27.32166地球日短得多,受到地月系統內液體、固體、氣體總的潮汐力影響,月球自轉周期逐漸與公轉周期相同,客觀上形成了現如今我們只能看到的月球正對地球這面的現象。

                      如果你長時間觀察月球會發現,月球并非將它的背面藏得嚴嚴實實。在眾多月球的空間運動中,有一種運動叫做月球天平動,它分為經度天平動、緯度天平動、周日天平動和物理天平動。這其中只有物理天平動是月球真正的擺動。由于月球的三條主慣性軸長度不等,加上橢圓軌道造成的距離改變,在地球引力作用下,發生對平均位置的偏移。但是物理天平動比幾何天平動小得多,它的擺動小于0.04度,所以一般都忽略不計。天平動綜合影響使得我們從地球可以看到59%的月面,這也算是人類對月球實施軌道探測前,月球主動解開背面面紗吧。

                      人類為了能親自看清月球背面付出了一系列的努力。早在1959年10月,蘇聯成功發射“月球3號”探測器,它于10月7日拍到了人類有史以來第一批月球背面照片,為人類揭開月背面紗提供了十分寶貴的影像資料。1968年,美國阿波羅8號的3位宇航員在環月飛行時,成為最先目睹月球背面的人類。隨著技術的不斷進步,美國、蘇聯、歐洲、日本、中國相繼發射月球軌道探測器,對月球全球進行細致的探測活動。隨著月球正面、背面、南北兩極被制成月圖,月球背面也就不再是那么神秘莫測了。

                      2019年1月,中國的嫦娥四號探測器軟著陸于月球背面南極附近的艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內,實現了人類探測器首次月背軟著陸。通過“鵲橋”月球中繼衛星的幫助,對著陸探測器的指令及數據傳輸得以往返于地月之間。這使得我們可以看著月面地圖,聯想月球背面的形貌。

                    嫦娥四號;月球背面

                     嫦娥四號探測器著陸在月球背面(圖片來源:CNSA

                      二問:月球與地球有“血緣”關系嗎?

                    月球;地球

                      地月之間平均距離38萬千米,相當于繞地球9圈半。這么遠的距離如果去走個親戚,想必定是至親??上啾扔诘厍蚺c最近行星金星(根據最新計算方式說是水星之間4000萬千米的距離,地月之間的距離顯得近了很多。那么這兩個星球是否是“一家人”呢?

                      有關月球的來歷一直以來都是科學界熱議的話題。月球是怎么形成的?科學家們對此提出了三個假設:俘獲說、同源說、潮汐共振分裂說。目前最盛行的是同源說:在地球形成的早期,生命產生之前,一個火星大小的行星體撞上了年輕的地球,將數十億噸物質撞向地球周圍的軌道上。重力使這些散落的物質聚合在一起并不斷演化,經過億萬年宇宙的雕琢,形成了我們今天所看到的月球。

                      同源說中最重要的依據是組成兩星球的物質。根據之前人類月球探測返回的幾百千克月面樣品的實驗室分析發現,月球的成分似乎與地球的并不相同,月球巖石中鐵鎳等元素的比重遠高于地球,而且有的月球巖石的形成時間是在46億年前,要知道目前為止地球上最古老的巖石在40億年左右。換言之,本是孿生的兩兄弟竟然差了6億歲,這也成了同源說和潮汐共振分裂說最大的打擊。而俘獲說也因俘獲的概率極其微小等假說缺陷未被大多數人接受。

                      盡管月球與地球之間的親緣關系成了懸案,但這絲毫不影響作為地球唯一衛星的月球為地球服務的熱情。作為一個天然反光鏡,月夜變得不再伸手不見五指;作為潮汐現象的重要推手,每年各種江潮勝景引來無數文人騷客望潮興嘆;作為人類征服太空的前哨戰,我們從月球身上學到了太多必備技能……

                    天問一號;地球;月球

                    天問一號”去往火星途中拍攝的地球和月球合影(圖片來源:CNSA

                      三問:月球上究竟有生命嗎?

                      如果沒有生命保障系統的呵護,人類是無法在月球表面長期生存的。強烈的宇宙高能射線和至少300攝氏度的溫差會讓所有登月的人殞命。那么,如果人類不能長期在月球表面生存,是否意味著月球上也不會有其他生命的存在呢?

                      接下來讓我們來看兩個極具可能性又極具趣味性的“證據”。

                      1969年,伴隨阿波羅11號載人登月飛船穩穩落在月球靜海內,宇航員阿姆斯特朗將人類的足跡印在了這片神奇的新大陸上。月球車、月震儀、激光反射鏡這些科學儀器通過6次載人登月活動被運到了月球表面,它們為人類了解月球的演化提供了詳實的科學資料。

                      除了這些精密的儀器,登月宇航員還將96包人類排泄物“暫時”留在了月球。之所以說是“暫時”,是因為隨著人類深空視野的擴展,我們急需了解生物在宇宙真空環境中的生存情況。而這幾十千克被遺棄在月球的排泄物,因為極有可能滋生細菌和微生物,被地球人一直惦記著,不久后極有可能會被“專機”接回地球。

                      50余年中,在極其苛刻的環境下,這些“小生命”現在的狀態如何,引起了生物學家越加濃厚的興趣。要知道,對于這些排泄物的研究,將使我們了解生命體在宇宙環境中長時間存在產生變異的情況,從而幫助我們更好地設計宇航服、太空艙甚至太空基地。

                      我們再找一個月球上可能存在的生命如何?

                      提到地表最強生物,很多人會聯想到跑得最快、胃口最好的蟑螂。其實進入太空后,比蟑螂更抗凍、更不怕餓的是水熊。目前被證明宇宙真空環境(由低溫和宇宙輻射共同作用中唯一能生存的生命是“緩步動物”(水生或在潮濕土壤中生活的微型動物,也就是水熊。這種微生物存在于世界各地,它們表現出的對極端溫度和壓力的耐受力以及在沒有水的情況下生存的能力極強。

                    月球;水熊

                    顯微鏡下的水熊(圖片來源:Yahoo

                      緩步動物的樣本被放置在環繞地球10天的航天飛機的外部,然后重新進入大氣層。實驗結果顯示,超過60%的水熊存活了下來。與在相同環境中連1秒都呆不了的人類相比,水熊簡直是地球生命中的戰斗機。我們不禁想向被月球探測器帶往月球上的水熊問候一句:“你們還好嗎?

                      四問:月球有沒有大氣和磁場?

                      地球生物之所以可以安享舒適宜居的環境,是因為地球為之提供了大氣層、磁場這些全球性圈層的保護,使我們免受宇宙高能輻射、溫度劇烈變化這些惡劣環境之苦。而月球上這樣的全球性圈層是不存在的。但是,月球局部區域存在氣體散逸和磁場卻是不爭的事實。

                      大約45億年前,也就是月球形成后,處于冷卻過程的月球地質活動還很活躍。月表大規模的火山爆發噴射出大量的巖漿,填充了巨大的盆地并形成了我們今天仍肉眼可見的顏色較暗的月海。根據數值模擬,這些因大規?;鹕奖l而噴射出的硫氣體足以覆蓋整個月球,并持續數百萬年,直至散逸到宇宙空間中。

                    月球;能源

                      在火山噴發的高峰期,大約35億年前,月球的大氣層厚度可能是今天火星大氣層的1.5倍,相當于地球標準大氣壓的1%。這樣的情況大概持續了7千萬年,直到月球內部逐漸冷卻,火山運動減少并停止噴發氣體。月球的低引力環境不足以維持大氣,于是大氣散失到宇宙空間中?,F如今我們仍可以通過阿波羅宇航員的照片隱約看到因大氣折射現象而模糊的情形。也許在月球上某一區域,時至今日局部仍然不斷放出微量氣體。

                      冬夜里靠近地球兩極的人們常會看到絢麗的極光,那正是由于太陽帶電的粒子碰撞地球的兩極磁場,在天空中發生放電時所產生的現象。在地球磁場的包裹下,絕大部分有害輻射粒子被“拒之門外”,使得地球上的生物得以“巴適”的活著。

                      今天的月球沒有全球性的磁場圈層,但是根據對月球巖石的實驗室分析,科學家發現月巖有磁性,個別巖石磁性很強。如果月球并不像地球內部那樣擁有熱核心,地月之間的距離又不會使月球從地球那兒傳導到磁性,那么只能說明早期月球存在全球性磁場,才使得現如今的月球巖石有了剩磁。

                      五問:月球還“活”著嗎?

                      描述一個星球是否還“活”著,一般是看它內部是否還存在地質運動。

                      地球內部是一個液態鐵核,而月球內部的核心早年間被認為早已冷卻。根據“月球勘測軌道探測器”、“嫦娥二號”、日本“月亮女神”探測器等發回的數據看,關于月球已“死”的結論下得為時尚早。

                      根據連續多年的跟蹤研究,這些影像數據中反映出月球局部地區出現了地質滑坡等現象。造成滑坡的原因可能是隕石撞擊,如果是大規?;聞t有可能是來自月球內部的能量所致。

                    月球表面;環形山口

                    月球表面環形山口內壁滑坡現象(圖片來源:NASA/LRO

                      早在阿波羅登月計劃期間,人類就將月震儀放在了月球表面。儀器記錄下,28起月震似乎起源于月球地殼的上部數公里處,其規模與地球上5.5級地震一樣強。產生月震的原因還可能是由于地球對月球所施加的引力造成的,也就是潮汐共振引起的規律性月球表面變形,從球形延伸變成橢球形,然后再變回原本的球形的過程。

                      月球上約300攝氏度的晝夜溫差,也會引發一些月震活動。熱脹冷縮效應下,月巖膨脹收縮,引發局部月震。此外,讓月球背鍋的還有人類活動造成的震動。探測器主動撞擊月球后能幫助人們更好地了解月震機制,畢竟探測器多重、體積多大都是我們已知的。

                      六問:人類真的登上過月球嗎?

                      人類科技文明史上有很多謎團?!懊绹耸欠裆线^月球”就是其中最讓人擰巴的事兒。

                      在很多影視劇中,阿姆斯特朗登月被描繪成在攝影棚里完成的電影創作。很多熱心于找茬兒的質疑者,通過搜索當年美國宇航局公布的登月影像資料上的“蛛絲馬跡”,來證明這一切都是騙局。

                      “月球上沒有風是真空狀態,星條旗不可能迎風招展”、“宇航員站立時的影子方向不對”……還有更離譜的,“憑借當時的科技水平,人類很難把幾乎是銅鐵制成的大家伙運到月球上,如果真的能做到,那也是因為外星人的幫助”??赐赀@些,你是否佩服自己的同類們的奇思妙想?

                      事實上,登月發生的歷史背景是冷戰時代。1961年蘇聯人完成了人類首次太空之旅,大洋彼岸的美利堅人急切地要把太空主動權奪回來?!坝肋h爭第一”的信念使美國人把目光投向了遙遠的月球。除了“阿波羅載人登月計劃”,美國人還發展了獲得多個人類第一的“水手計劃”,不過這一切都不如1969年7月20日,通過電視直播向全球播送的阿姆斯特朗那句“這只是我一個人的一小步,但卻是整個人類的一大步”經典名言。

                    人類;月球

                    圖為奧爾德林在月球上留下的腳印。(圖片來源:新華網

                      美國人通過6次成功的發射,使12名宇航員登上了月球。由于蘇聯解體和當時國際形勢的巨變,美國開始尋求在其他領域稱霸,而漸漸對登月甚至探索月球失去了興趣。以中國嫦娥探月工程為代表的世界新興科技國家在上世紀末掀起了人類第二次探月高潮。

                      美國人真的登上過月球嗎?筆者用在俄羅斯從事研究時一位同事的話來回答:“生活在21世紀的我們,不應該再去懷疑美國人是否登上過月球,況且能證明去過的證據實在太多了”。

                      七問:人類歷史上為探索月球做了哪些努力?

                      從1610年伽俐略用自制望遠鏡觀測月球開始,人類對于月球的關注已經持續了400余年。

                      1959年至1976年,蘇聯先后發射17次無人探測器,實現了多項第一,包括第一次拍攝到了月球背面(1959年,以及三次采樣返回。1961年至1968年,美國的“徘徊者”號(Ranger)月球軌道探測器以及“勘測者”號(Surveyor任務,為阿波羅計劃中的載人登月掃清了技術障礙。1969年7月20日,“鷹”號登月艙降落在月表靜海,尼爾·阿姆斯特朗與巴茲·奧爾德林成為了首次踏上月球的人類。他們在月表停留將近22小時,艙外活動2.5小時,帶回月球樣本21.55千克。阿波羅17號于1972年12月7日發射,12月11日登陸月球,是人類第六次成功載人登月任務,也是人類最后一次載人登月任務。

                    登月

                    迄今為止最后一個登上月球的人類——尤金·塞爾南(圖片來源:NASA

                      1994至1999年期間,美國的“克萊門汀”(Clementine和“月球探勘者”號(Lunar Prospector的數據表明,月球兩極區域,可能存在著水冰。這為人類在月球建立長期住所豎起了燈塔。2006年9月3日,歐空局的SMART-1月球探測器成功撞擊月球表面,以壯烈的方式為人類獲取了月表許多寶貴科研數據。2007—2008年,日本的“月亮女神”號(Kaguya、中國第一個月球探測器——“嫦娥一號”成功進入月球軌道,隨后印度的“月船1號”(Chandrayaan-1)相繼進入月球軌道。2009年,NASA的月球勘測軌道飛行器(LRO)和月球環形山觀測與遙感衛星(LCROSS同時發射。隨后LCROSS撞向月球南極附近一處永久的陰影區域,顯示有水冰的存在。而LRO時至今日仍在繞月軌道上運行,為后續著陸探測器提供數據鏈路支持。2011年9月,NASA發射了“圣杯”號(GRAIL,這項任務旨在精確探測并繪制月球的重力場圖以判斷月球內部構造。2013年9月,NASA發射月球大氣與粉塵環境探測器(LADEE),用于探測月球大氣層的散逸層和周圍的塵埃。

                      2013年12月14日,“嫦娥三號”成功軟著陸于月球雨海西北部,成為繼1976年的蘇聯“月球24號”后首個在月球表面軟著陸的探測器。中國一躍成為世界上第三個實現在月面著陸的國家。隨著嫦娥計劃“繞、落、回”目標的實現,中國將全面掌握和運用開發月球的必備技術。

                      未來不管是商業模式還是舉國體制,前往月球必將是人類的重要發展目標。相信還會有更多的形態各異、功能豐富的月球探測器被送上月球。

                      八問:人類探索月球有哪些失敗的教訓?

                      人類探索月球的道路并不平坦,目前還沒有一個國家做到過探月零失誤。

                      阿波羅1號的三名宇航員在一次測試中命喪火海。阿波羅12號發射升空后,遭遇兩次閃電。阿波羅13號在前往月球的過程中,飛船失去氧氣和電力,在宇航員及地面工作人員的不懈努力下得以安全返回地球。蘇聯的“月球5號”“月球6號”“月球7號”“月球8號”統統失敗。日本曾因著陸器的技術難關一直難以攻破而一度取消了研發超過10年的“月球-A”探測計劃。2019年,以色列的“創世紀”號搭乘美國SpaceX公司的“獵鷹9”火箭升空,隨后進入月球軌道。探測器雖成功啟動了登陸程序,但在距離月球表面不足10千米處,主發動機突然失靈,導致探測器直接墜毀。

                    阿波羅13號

                    電影《阿波羅13號》海報(圖片來源:豆瓣電影

                      月球的低重力和月塵靜電吸附問題也曾是世界主要月球探測大國們揮之不去的陰影,由此引發的一系列問題,輕則使宇航員和月球車停止工作,重則導致整個計劃失敗。

                      但人類總是能在失敗中汲取教訓,遇挫逾強,努力攻克每一個進軍太空的難題。

                      九問:開發月球我們準備好了嗎?

                      截止目前,地球上共有6個國家的18架繞月軌道探測器對月球進行了遙感探測。美國和蘇聯分別通過宇航員和返回式取樣探測器(LUNA16、LUNA20、LUNA24將月球表面的月壤、月巖送回地球。根據這些探測數據以及對月球返回樣品的分析,人類詳細了解了月球物質的化學構成以及物理特性,為后期開發月球資源以及月球基地的建設打下了基礎。

                      隨著太空發射成本的不斷降低,盡管將月球上的礦產運回地球還有待時日,以3D打印技術和新材料制造技術為代表的新興建筑技術已被用來建造人類未來的月球家園。就地取材,人類能將月球表面的鐵、錳、鋁、鎂等金屬礦產提取冶煉,3D打印成可供居住的太空屋;利用月球兩極的冰可以為人類提供氧氣、水等必要資源;綜合利用氦3、太陽能等月球上充沛的能源,將助月球開發一臂之力。

                    月球旅游

                      隨著月塵防護、月震研究等技術儲備的不斷積累,月球對人類來說看似已經一馬平川。月球旅游也將是地球人類新的目標。隨著運輸成本的進一步降低,把人類送去月球已經比50年前輕松很多了。地球游客在新的太空服的保護下走出飛船在月球表面暢游,再也不是難事。游客累了后,進入借助隕石坑或洞穴修建的月球旅館,望著頭頂的星空便可以與遙遠的藍色地球互致晚安。

                      月球還將是重要的科研基地。人類在經歷地球實驗室、空間站實驗室后第一次進入有人值守的月球實驗室時代。比起前者,月球實驗室由于低重力、真空及完全的宇宙空間環境,將幫助研究人類開拓行星際空間前一切技術儲備的要求。

                      此外,作為“宇宙高速路”上的第一個服務區,月球還將為火箭發射提供能源補給。從月球發射空間運輸器要比從地球上發射節省更多燃料。地月間屆時將形成新的測控網絡,幫助我們探索更遙遠的空間。環繞月球的各種衛星將使我們感到與在地球上生活沒什么不同。

                    月球;生活

                      一連“九問”,關于“月球”的那些事兒想必已經一覽無余。關于月球,你還有哪些遐想呢?(作者:國家遙感中心副研究員 魯暘筱懿

                      延伸閱讀

                      我國自主研發的“天問一號”火星探測器已累計飛行約1.5億千米,相當于1個天文單位(天文單位是天文學中計量天體之間距離的一種單位,1天文單位約等于1.496億千米,也就是地球到太陽的平均距離。隨著嫦娥5號探測器即將奔赴月球,中國將第一次同一時間段內有兩顆太陽系探測器對月球和火星實施深空探測任務。

                    本文來自:中國數字科技館
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                    [責任編輯:邱馨嬋]
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