【深度解读】中秋“九问”|一文读懂关于“月球”的那些事儿

　　2020庚子年的中秋节恰逢国庆节。你知道吗?下次国庆节再遇中秋佳节，最快要等到2031年。

　　中秋佳节，金樽对月，关于月球，你是否有下面的这些疑问呢？

　　一问：月球为何只一面示人？

　　凝视皓月，月面上似有玉兔嬉戏。其实那暗的区域是地势低一些的月海，明亮的则是地势较高的月陆，从古至今生活在地球上的生命看到的都是月亮的这一面。月球背面似乎被有意隐藏了起来。

　　这是8月3日在成都拍摄的满月（图片来源：新华网）

　　月球与地球形成距离太阳最近的行星-卫星系统（金星据说也曾有卫星），地月间的潮汐力不断地改变着地球与月球的运动速度。由于月球质量比地球小，这个变化更加明显。地月系统形成初期，月球自转一周的时间要比现在的27.32166地球日短得多，受到地月系统内液体、固体、气体总的潮汐力影响，月球自转周期逐渐与公转周期相同，客观上形成了现如今我们只能看到的月球正对地球这面的现象。

　　如果你长时间观察月球会发现，月球并非将它的背面藏得严严实实。在众多月球的空间运动中，有一种运动叫做月球天平动，它分为经度天平动、纬度天平动、周日天平动和物理天平动。这其中只有物理天平动是月球真正的摆动。由于月球的三条主惯性轴长度不等，加上椭圆轨道造成的距离改变，在地球引力作用下，发生对平均位置的偏移。但是物理天平动比几何天平动小得多，它的摆动小于0.04度，所以一般都忽略不计。天平动综合影响使得我们从地球可以看到59%的月面，这也算是人类对月球实施轨道探测前，月球主动解开背面面纱吧。

　　人类为了能亲自看清月球背面付出了一系列的努力。早在1959年10月，苏联成功发射“月球3号”探测器，它于10月7日拍到了人类有史以来第一批月球背面照片，为人类揭开月背面纱提供了十分宝贵的影像资料。1968年，美国阿波罗8号的3位宇航员在环月飞行时，成为最先目睹月球背面的人类。随着技术的不断进步，美国、苏联、欧洲、日本、中国相继发射月球轨道探测器，对月球全球进行细致的探测活动。随着月球正面、背面、南北两极被制成月图，月球背面也就不再是那么神秘莫测了。

　　2019年1月，中国的嫦娥四号探测器软着陆于月球背面南极附近的艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内，实现了人类探测器首次月背软着陆。通过“鹊桥”月球中继卫星的帮助，对着陆探测器的指令及数据传输得以往返于地月之间。这使得我们可以看着月面地图，联想月球背面的形貌。

　　嫦娥四号探测器着陆在月球背面（图片来源：CNSA）

　　二问：月球与地球有“血缘”关系吗？

　　地月之间平均距离38万千米，相当于绕地球9圈半。这么远的距离如果去走个亲戚，想必定是至亲。可相比于地球与最近行星金星（根据最新计算方式说是水星）之间4000万千米的距离，地月之间的距离显得近了很多。那么这两个星球是否是“一家人”呢？

　　有关月球的来历一直以来都是科学界热议的话题。月球是怎么形成的？科学家们对此提出了三个假设：俘获说、同源说、潮汐共振分裂说。目前最盛行的是同源说：在地球形成的早期，生命产生之前，一个火星大小的行星体撞上了年轻的地球，将数十亿吨物质撞向地球周围的轨道上。重力使这些散落的物质聚合在一起并不断演化，经过亿万年宇宙的雕琢，形成了我们今天所看到的月球。

　　同源说中最重要的依据是组成两星球的物质。根据之前人类月球探测返回的几百千克月面样品的实验室分析发现，月球的成分似乎与地球的并不相同，月球岩石中铁镍等元素的比重远高于地球，而且有的月球岩石的形成时间是在46亿年前，要知道目前为止地球上最古老的岩石在40亿年左右。换言之，本是孪生的两兄弟竟然差了6亿岁，这也成了同源说和潮汐共振分裂说最大的打击。而俘获说也因俘获的概率极其微小等假说缺陷未被大多数人接受。

　　尽管月球与地球之间的亲缘关系成了悬案，但这丝毫不影响作为地球唯一卫星的月球为地球服务的热情。作为一个天然反光镜，月夜变得不再伸手不见五指；作为潮汐现象的重要推手，每年各种江潮胜景引来无数文人骚客望潮兴叹；作为人类征服太空的前哨战，我们从月球身上学到了太多必备技能……

　　“天问一号”去往火星途中拍摄的地球和月球合影（图片来源：CNSA）

　　三问：月球上究竟有生命吗？

　　如果没有生命保障系统的呵护，人类是无法在月球表面长期生存的。强烈的宇宙高能射线和至少300摄氏度的温差会让所有登月的人殒命。那么，如果人类不能长期在月球表面生存，是否意味着月球上也不会有其他生命的存在呢？

　　接下来让我们来看两个极具可能性又极具趣味性的“证据”。

　　1969年，伴随阿波罗11号载人登月飞船稳稳落在月球静海内，宇航员阿姆斯特朗将人类的足迹印在了这片神奇的新大陆上。月球车、月震仪、激光反射镜这些科学仪器通过6次载人登月活动被运到了月球表面，它们为人类了解月球的演化提供了详实的科学资料。

　　除了这些精密的仪器，登月宇航员还将96包人类排泄物“暂时”留在了月球。之所以说是“暂时”，是因为随着人类深空视野的扩展，我们急需了解生物在宇宙真空环境中的生存情况。而这几十千克被遗弃在月球的排泄物，因为极有可能滋生细菌和微生物，被地球人一直惦记着，不久后极有可能会被“专机”接回地球。

　　50余年中，在极其苛刻的环境下，这些“小生命”现在的状态如何，引起了生物学家越加浓厚的兴趣。要知道，对于这些排泄物的研究，将使我们了解生命体在宇宙环境中长时间存在产生变异的情况，从而帮助我们更好地设计宇航服、太空舱甚至太空基地。

　　我们再找一个月球上可能存在的生命如何？

　　提到地表最强生物，很多人会联想到跑得最快、胃口最好的蟑螂。其实进入太空后，比蟑螂更抗冻、更不怕饿的是水熊。目前被证明宇宙真空环境（由低温和宇宙辐射共同作用）中唯一能生存的生命是“缓步动物”（水生或在潮湿土壤中生活的微型动物），也就是水熊。这种微生物存在于世界各地，它们表现出的对极端温度和压力的耐受力以及在没有水的情况下生存的能力极强。

　　显微镜下的水熊（图片来源：Yahoo）

　　缓步动物的样本被放置在环绕地球10天的航天飞机的外部，然后重新进入大气层。实验结果显示，超过60%的水熊存活了下来。与在相同环境中连1秒都呆不了的人类相比，水熊简直是地球生命中的战斗机。我们不禁想向被月球探测器带往月球上的水熊问候一句：“你们还好吗？”

　　四问：月球有没有大气和磁场？

　　地球生物之所以可以安享舒适宜居的环境，是因为地球为之提供了大气层、磁场这些全球性圈层的保护，使我们免受宇宙高能辐射、温度剧烈变化这些恶劣环境之苦。而月球上这样的全球性圈层是不存在的。但是，月球局部区域存在气体散逸和磁场却是不争的事实。

　　大约45亿年前，也就是月球形成后，处于冷却过程的月球地质活动还很活跃。月表大规模的火山爆发喷射出大量的岩浆，填充了巨大的盆地并形成了我们今天仍肉眼可见的颜色较暗的月海。根据数值模拟，这些因大规模火山爆发而喷射出的硫气体足以覆盖整个月球，并持续数百万年，直至散逸到宇宙空间中。

　　在火山喷发的高峰期，大约35亿年前，月球的大气层厚度可能是今天火星大气层的1.5倍，相当于地球标准大气压的1%。这样的情况大概持续了7千万年，直到月球内部逐渐冷却，火山运动减少并停止喷发气体。月球的低引力环境不足以维持大气，于是大气散失到宇宙空间中。现如今我们仍可以通过阿波罗宇航员的照片隐约看到因大气折射现象而模糊的情形。也许在月球上某一区域，时至今日局部仍然不断放出微量气体。

　　冬夜里靠近地球两极的人们常会看到绚丽的极光，那正是由于太阳带电的粒子碰撞地球的两极磁场，在天空中发生放电时所产生的现象。在地球磁场的包裹下，绝大部分有害辐射粒子被“拒之门外”，使得地球上的生物得以“巴适”的活着。

　　今天的月球没有全球性的磁场圈层，但是根据对月球岩石的实验室分析，科学家发现月岩有磁性，个别岩石磁性很强。如果月球并不像地球内部那样拥有热核心，地月之间的距离又不会使月球从地球那儿传导到磁性，那么只能说明早期月球存在全球性磁场，才使得现如今的月球岩石有了剩磁。

　　五问：月球还“活”着吗？

　　描述一个星球是否还“活”着，一般是看它内部是否还存在地质运动。

　　地球内部是一个液态铁核，而月球内部的核心早年间被认为早已冷却。根据“月球勘测轨道探测器”、“嫦娥二号”、日本“月亮女神”探测器等发回的数据看，关于月球已“死”的结论下得为时尚早。

　　根据连续多年的跟踪研究，这些影像数据中反映出月球局部地区出现了地质滑坡等现象。造成滑坡的原因可能是陨石撞击，如果是大规模滑坡则有可能是来自月球内部的能量所致。

　　月球表面环形山口内壁滑坡现象（图片来源：NASA/LRO）

　　早在阿波罗登月计划期间，人类就将月震仪放在了月球表面。仪器记录下，28起月震似乎起源于月球地壳的上部数公里处，其规模与地球上5.5级地震一样强。产生月震的原因还可能是由于地球对月球所施加的引力造成的，也就是潮汐共振引起的规律性月球表面变形，从球形延伸变成椭球形，然后再变回原本的球形的过程。

　　月球上约300摄氏度的昼夜温差，也会引发一些月震活动。热胀冷缩效应下，月岩膨胀收缩，引发局部月震。此外，让月球背锅的还有人类活动造成的震动。探测器主动撞击月球后能帮助人们更好地了解月震机制，毕竟探测器多重、体积多大都是我们已知的。

　　六问：人类真的登上过月球吗？

　　人类科技文明史上有很多谜团。“美国人是否上过月球”就是其中最让人拧巴的事儿。

　　在很多影视剧中，阿姆斯特朗登月被描绘成在摄影棚里完成的电影创作。很多热心于找茬儿的质疑者，通过搜索当年美国宇航局公布的登月影像资料上的“蛛丝马迹”，来证明这一切都是骗局。

　　“月球上没有风是真空状态，星条旗不可能迎风招展”、“宇航员站立时的影子方向不对”……还有更离谱的，“凭借当时的科技水平，人类很难把几乎是铜铁制成的大家伙运到月球上，如果真的能做到，那也是因为外星人的帮助”。看完这些，你是否佩服自己的同类们的奇思妙想？

　　事实上，登月发生的历史背景是冷战时代。1961年苏联人完成了人类首次太空之旅，大洋彼岸的美利坚人急切地要把太空主动权夺回来。“永远争第一”的信念使美国人把目光投向了遥远的月球。除了“阿波罗载人登月计划”，美国人还发展了获得多个人类第一的“水手计划”，不过这一切都不如1969年7月20日，通过电视直播向全球播送的阿姆斯特朗那句“这只是我一个人的一小步，但却是整个人类的一大步”经典名言。

　　图为奥尔德林在月球上留下的脚印。（图片来源：新华网）

　　美国人通过6次成功的发射，使12名宇航员登上了月球。由于苏联解体和当时国际形势的巨变，美国开始寻求在其他领域称霸，而渐渐对登月甚至探索月球失去了兴趣。以中国嫦娥探月工程为代表的世界新兴科技国家在上世纪末掀起了人类第二次探月高潮。

　　美国人真的登上过月球吗？笔者用在俄罗斯从事研究时一位同事的话来回答：“生活在21世纪的我们，不应该再去怀疑美国人是否登上过月球，况且能证明去过的证据实在太多了”。

　　七问：人类历史上为探索月球做了哪些努力？

　　从1610年伽俐略用自制望远镜观测月球开始，人类对于月球的关注已经持续了400余年。

　　1959年至1976年，苏联先后发射17次无人探测器，实现了多项第一，包括第一次拍摄到了月球背面（1959年），以及三次采样返回。1961年至1968年，美国的“徘徊者”号(Ranger)月球轨道探测器以及“勘测者”号（Surveyor）任务，为阿波罗计划中的载人登月扫清了技术障碍。1969年7月20日，“鹰”号登月舱降落在月表静海，尼尔·阿姆斯特朗与巴兹·奥尔德林成为了首次踏上月球的人类。他们在月表停留将近22小时，舱外活动2.5小时，带回月球样本21.55千克。阿波罗17号于1972年12月7日发射，12月11日登陆月球，是人类第六次成功载人登月任务，也是人类最后一次载人登月任务。

　　迄今为止最后一个登上月球的人类——尤金·塞尔南（图片来源：NASA）

　　1994至1999年期间，美国的“克莱门汀”（Clementine）和“月球探勘者”号（Lunar Prospector）的数据表明，月球两极区域，可能存在着水冰。这为人类在月球建立长期住所竖起了灯塔。2006年9月3日，欧空局的SMART-1月球探测器成功撞击月球表面，以壮烈的方式为人类获取了月表许多宝贵科研数据。2007—2008年，日本的“月亮女神”号（Kaguya）、中国第一个月球探测器——“嫦娥一号”成功进入月球轨道，随后印度的“月船1号”(Chandrayaan-1)相继进入月球轨道。2009年，NASA的月球勘测轨道飞行器(LRO)和月球环形山观测与遥感卫星（LCROSS）同时发射。随后LCROSS撞向月球南极附近一处永久的阴影区域，显示有水冰的存在。而LRO时至今日仍在绕月轨道上运行，为后续着陆探测器提供数据链路支持。2011年9月，NASA发射了“圣杯”号（GRAIL），这项任务旨在精确探测并绘制月球的重力场图以判断月球内部构造。2013年9月，NASA发射月球大气与粉尘环境探测器(LADEE)，用于探测月球大气层的散逸层和周围的尘埃。

　　2013年12月14日，“嫦娥三号”成功软着陆于月球雨海西北部，成为继1976年的苏联“月球24号”后首个在月球表面软着陆的探测器。中国一跃成为世界上第三个实现在月面着陆的国家。随着嫦娥计划“绕、落、回”目标的实现，中国将全面掌握和运用开发月球的必备技术。

　　未来不管是商业模式还是举国体制，前往月球必将是人类的重要发展目标。相信还会有更多的形态各异、功能丰富的月球探测器被送上月球。

　　八问：人类探索月球有哪些失败的教训？

　　人类探索月球的道路并不平坦，目前还没有一个国家做到过探月零失误。

　　阿波罗1号的三名宇航员在一次测试中命丧火海。阿波罗12号发射升空后，遭遇两次闪电。阿波罗13号在前往月球的过程中，飞船失去氧气和电力，在宇航员及地面工作人员的不懈努力下得以安全返回地球。苏联的“月球5号”“月球6号”“月球7号”“月球8号”统统失败。日本曾因着陆器的技术难关一直难以攻破而一度取消了研发超过10年的“月球-A”探测计划。2019年，以色列的“创世纪”号搭乘美国SpaceX公司的“猎鹰9”火箭升空，随后进入月球轨道。探测器虽成功启动了登陆程序，但在距离月球表面不足10千米处，主发动机突然失灵，导致探测器直接坠毁。

　　电影《阿波罗13号》海报（图片来源：豆瓣电影）

　　月球的低重力和月尘静电吸附问题也曾是世界主要月球探测大国们挥之不去的阴影，由此引发的一系列问题，轻则使宇航员和月球车停止工作，重则导致整个计划失败。

　　但人类总是能在失败中汲取教训，遇挫逾强，努力攻克每一个进军太空的难题。

　　九问：开发月球我们准备好了吗？

　　截止目前，地球上共有6个国家的18架绕月轨道探测器对月球进行了遥感探测。美国和苏联分别通过宇航员和返回式取样探测器（LUNA16、LUNA20、LUNA24）将月球表面的月壤、月岩送回地球。根据这些探测数据以及对月球返回样品的分析，人类详细了解了月球物质的化学构成以及物理特性，为后期开发月球资源以及月球基地的建设打下了基础。

　　随着太空发射成本的不断降低，尽管将月球上的矿产运回地球还有待时日，以3D打印技术和新材料制造技术为代表的新兴建筑技术已被用来建造人类未来的月球家园。就地取材，人类能将月球表面的铁、锰、铝、镁等金属矿产提取冶炼，3D打印成可供居住的太空屋;利用月球两极的冰可以为人类提供氧气、水等必要资源;综合利用氦3、太阳能等月球上充沛的能源，将助月球开发一臂之力。

　　随着月尘防护、月震研究等技术储备的不断积累，月球对人类来说看似已经一马平川。月球旅游也将是地球人类新的目标。随着运输成本的进一步降低，把人类送去月球已经比50年前轻松很多了。地球游客在新的太空服的保护下走出飞船在月球表面畅游，再也不是难事。游客累了后，进入借助陨石坑或洞穴修建的月球旅馆，望着头顶的星空便可以与遥远的蓝色地球互致晚安。

　　月球还将是重要的科研基地。人类在经历地球实验室、空间站实验室后第一次进入有人值守的月球实验室时代。比起前者，月球实验室由于低重力、真空及完全的宇宙空间环境，将帮助研究人类开拓行星际空间前一切技术储备的要求。

　　此外，作为“宇宙高速路”上的第一个服务区，月球还将为火箭发射提供能源补给。从月球发射空间运输器要比从地球上发射节省更多燃料。地月间届时将形成新的测控网络，帮助我们探索更遥远的空间。环绕月球的各种卫星将使我们感到与在地球上生活没什么不同。

　　一连“九问”，关于“月球”的那些事儿想必已经一览无余。关于月球，你还有哪些遐想呢？（作者：国家遥感中心副研究员 鲁暘筱懿）

　　我国自主研发的“天问一号”火星探测器已累计飞行约1.5亿千米，相当于1个天文单位（天文单位是天文学中计量天体之间距离的一种单位，1天文单位约等于1.496亿千米），也就是地球到太阳的平均距离。随着嫦娥5号探测器即将奔赴月球，中国将第一次同一时间段内有两颗太阳系探测器对月球和火星实施深空探测任务。