为什么月亮只有一面对着地球？月球暗面真的暗吗？

知识就是力量 2018-12-07

　　撰文/钱航（中国航天科技集团一院）

　　本文选自《知识就是力量》杂志

　　据悉，嫦娥四号将于本月发射并计划于月球背面着陆，这将是全世界首次对月球背面进行史无前例的着陆探测和巡视探测。一直以来，月球都以“正面”示人，那你是不是好奇月球背面有什么秘密？为何月球背面有这么大的吸引力？

　　月球背面（即月球暗面）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。由于月球的天平动，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%。迄今为止，虽然还没有航天器登陆过月球背面，但科学家仍获得了一些月球背面的探测数据。

　　宁静之地

　　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，而且地球上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。

　　月球背面屏蔽了来自地球的各种无线电干扰信号，因而可以监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号，从而为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。

　　月球背面的宁静使其成为天文学家监听来自宇宙微弱电磁信号的首选之地

　　潮汐锁定

　　因重力梯度从而使天体永远稳定地以同一面对着另一个天体，这种现象称为潮汐锁定（或同步自转、受俘自转），如月球永远以同一面朝向地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间。

　　这种同步自转导致一个半球固定不变地朝向伙伴。月球的自转和公转周期都约为4周，因此无论何时从地球观察月球，都只能看见同一面的半球。直到1959年，通过从苏联的月球3号探测器传送回来的照片，人们才完整地看见月球背面。

　　由于潮汐锁定现象，月球永远只有一面朝向地球

　　（左图为无月球自转的情况，有图为有月球自转的情况）

　　月亮与潮汐

　　我国古代地理著作《山海经》中就已提到潮汐与月球的关系，东汉时期的王充也在他所著的《论衡》一书中明确指出：“涛之起也，随月升衰”。而直到牛顿发现了万有引力定律，拉普拉斯才得以证明，潮汐现象是由太阳和月亮、主要是月亮的引力造成的。

　　月球的引潮力不仅会在地球上产生海潮，还会引起大气潮。但是大气潮远没有海潮这样惊天动地、气势磅礴，又因我们身在其中，所以是很难察觉的。

　　除此之外，引潮力还会使地球的本体（包括地表）产生潮汐，这种潮汐称为固体潮，固体潮引起地表的起伏很小，只有用精密的仪器才能测出来，这可能对地球的引力场有细微影响。地球内部有一部分是液态的，因此那里也会产生潮汐。有人认为，地球内部的潮汐是诱发地震的原因之一。

　　天平动

　　尽管月球的自转和公转完全被锁定，但是由于天平动和视差，从地球重复地观测，仍可看见月球表面的大约59%。如此看来，月球背面并不全部是暗的，而是有一部分边缘地带会因天平动而被观测到。

　　月球天平动，指的是在地面上观测到的月球可见面有上下左右的小幅度摆动。正是由于这种效应，人们在地球上能观测到月球表面的59%，其中18%时多时少。因月球运动和自转轴指向而造成的天平动，又称光学天平动或几何天平动；因月球实际摆动形成的天平动则称物理天平动。

　　月球的温克尔三重投影图，绿线内范围即天平动而使月球表面可见的理论范围

　　月球3号

　　追溯人类第一次直接看到月球背面的历史，是1959年10月4日，苏联的月球3号探测器发射升空，飞往月球，它前往月球的主要任务是揭开月球背面的神秘面纱。

　　月球3号探测器与之前的月球1号、月球2号大不相同，它更重且设计更加巧妙。月球3号采用圆柱形的外形，首次携带了两台焦距不同的照相机，而且还使用了太阳能电池，同时采用了气体喷嘴控制姿态。

　　月球3号探测器（图片来源/WIKI）

　　为了完成既定任务，科研人员对发射时间和飞行轨道做了精心安排，没有直接快速飞向月球，而是在经过较长时间的飞行之后缓慢地绕到月球背面，在距离月球大约7000米处经过。当它绕到月球背面时，在地球上看到的是“新月”，太阳恰好在月球3号背面，照亮了远离地球一侧的月面，使得月球3号拍摄了人类不曾看到的月球背面图片。

　　月球3号探测器传回的第一幅月球背面影像照片（图片来源/WIKI）

　　在通过月球背面的40分钟之内，两个光学相机拍摄了29张照片，其中17张照片在飞行途中完成自动冲印，然后通过电视扫描转换成电视信号，再通过无线通信装置传送回地面。虽然最后得到的照片分辨率很低，而且只覆盖了月球背面70%的区域，但是却记录了人类对月球背面的第一次观察，展现了人类以前从未看到过的景象。

　　通过对月球3号探测器传回的月球背面图片的分析发现，月球背面主要是高地和山脉，大面积的月海只有两个，在照片上显示为两个黑暗的月球表面阴暗区。而且，背面的颜色相较于正面稍红一些。