“天眼”飛赴廣寒宮

□ 迢柳娟

2011年9月10日，一對專門設計用來對月球進行引力測量的衛(wèi)星，GRAIL（Gravity Recovery And Interior Laboratory），從美國卡納維拉爾角空軍基地出發(fā)，搭乘“德爾它”2型火箭踏上前往月球的3個月的旅程。美國航宇局表示，這對衛(wèi)星的任務是以前所未有的精度測量月球各處的引力強度，這些測量資料結(jié)合以往阿波羅計劃月震探測的數(shù)據(jù)，將有望加深人類對月球地質(zhì)和內(nèi)部構(gòu)造的了解。

這對衛(wèi)星價值5億美元，每顆差不多相當于一臺洗衣機大小，他們將執(zhí)行首次繪制月球內(nèi)核圖像的任務。

這對衛(wèi)星將在前往月球的路途中飛行3個月，在新年前后進入月球極地軌道。兩臺飛行器將一前一后飛行，計劃是讓它們利用重力工具繪制月球表面之下的地形，揭示出人們所不知道的月球內(nèi)核中有些什么。此次任務還會讓科學家了解未經(jīng)探索的月球背面的情況，可能會告訴科學家是不是真有過另一個月球最終與現(xiàn)在的月球合并。

科學家們表示，GRAIL是首次測定月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的任務。在此前他們用重力科學嘗試過了解月球內(nèi)部正在發(fā)生些什么，但那些都是簡單的嘗試。如果把先前的嘗試比作放大鏡的話，GRAIL就是高性能顯微鏡。

GRAIL衛(wèi)星抵達發(fā)射臺

GRAIL衛(wèi)星的徽標

美國航宇局局長博爾登（右）觀看發(fā)射

科學家認為，月球是由一顆行星大小的物體撞入地球時形成的，撞擊拋出大量物質(zhì)，最終成為了這顆沒有空氣、荒涼的衛(wèi)星。

盡管人類自上世紀50年代起實施過100多次研究月球的任務，并且有12個人在月表行走過，但月球在歷史上如何升溫、產(chǎn)生巖漿海并結(jié)晶，這些仍然是個謎。最近的一個假說認為曾經(jīng)有兩個月球，它們慢慢地合并成了一個，這一說法也可以在此次任務中進行檢測。如果科學家們想重現(xiàn)月球的歷史演變，當然就需要重現(xiàn)月球現(xiàn)在的溫度構(gòu)造。目前人們對于月球內(nèi)部情況的準確了解還很少。有一個被廣泛接受的觀點認為月球內(nèi)部有一個被液體鐵核圍繞的小型固體鐵核，但這個觀點未經(jīng)證實。實際上很可能在月球內(nèi)部深處的核心是氧化鈦，這種物質(zhì)可能從巖漿海中被拋出或者結(jié)晶，沉入了月球內(nèi)部深處。

由于引力測量需要高精度的繞月軌道，因此允許GRAIL發(fā)射并在特定時刻到達月球，定點進入工作軌道的時間變得異常短，發(fā)射窗口只有1秒。GRAIL進入地球軌道后，將會使用和我國嫦娥一號類似的小推力變軌方式在數(shù)個月內(nèi)緩慢飛向月球，這種方式可以保護衛(wèi)星上精密的儀器，并允許衛(wèi)星進入高度僅有50千米的繞月軌道。

GRAIL衛(wèi)星發(fā)射升空

GRAIL藝術(shù)想像圖

GRAIL衛(wèi)星進行重力恢復試驗

引力與距離的平方成反比，越接近天體的重心，引力作用就越強，對于月球這樣的小天體，低軌道重力測量，將有助于增強引力不均勻?qū)πl(wèi)星軌道的影響，增加測量的精確度。

到達月球后，GRAIL的一對衛(wèi)星進入同一繞月飛行軌道后會一直保持200千米左右的距離。運行過程中，如果其中一個衛(wèi)星進入了引力異常區(qū)，它會被拉向另外一條軌道，而這種運動會改變兩個衛(wèi)星之間的距離。一條在衛(wèi)星間傳輸?shù)臒o線電測距信號組成的無形紐帶使兩個衛(wèi)星組成一座測量月球引力的天平，兩者之間任何的高度和方位變化都會被準確測量和記錄，并將這些數(shù)據(jù)傳送到幾十萬里之遙的地球。地面測控站也使用測距系統(tǒng)來測定衛(wèi)星的位置，并校準衛(wèi)星上的測量系統(tǒng)。在完成工作40天之后，這兩顆衛(wèi)星將撞入月球表面。此后對它們所收集到的數(shù)據(jù)進行科學分析預計將持續(xù)一年。

利用GRAIL衛(wèi)星測量出的軌道變化數(shù)據(jù)，人們可以計算出月球表面的引力強度分布，繪制出和地球引力場模型類似的高精度月球引力場模型。

火箭二級吊裝

整流罩內(nèi)的GRAIL衛(wèi)星

德爾它火箭的第一級和固體助推器

從光滑彈珠到粗糙桔皮

我們測量月球的引力，為什么能揭示月球坑坑洼洼的表面所掩蔽的內(nèi)部秘密呢？讓我們先從地球說起，從行星引力場的特性說起。在牛頓的《自然科學的數(shù)學原理》出版的年代，物理學家認為，天體附近的引力強度是均勻的，物體所受引力的大小只和它與天體重心的距離，以及物體和天體的質(zhì)量相關。這個理論在很長一段時間內(nèi)似乎毫無疑問，也符合從開普勒時代以來的眾多天文觀測數(shù)據(jù)。

可是人造衛(wèi)星升空后，這個理論遇到了困境。衛(wèi)星的軌道僅由引力、對地速度和阻力決定，但按照已知的引力理論和已知的大氣模型計算出的衛(wèi)星軌道，和實際測量結(jié)果總有微弱的區(qū)別，累積下來會使長期衛(wèi)星軌道的預報失去價值，衛(wèi)星測控難以進行。軌道的變化使衛(wèi)星不時進入大氣密度較高的區(qū)域并減速，最終導致衛(wèi)星過早墜毀，影響衛(wèi)星壽命。究竟是什么地方出了問題？

通過對這種誤差的分析，天文學家發(fā)現(xiàn)地球引力場原來并不均勻。

地球并非一個均勻的巖石球。地球內(nèi)部地幔和部分地核的運動，使大量高密度物質(zhì)在地殼下緩慢流動，推動了上面的地殼板塊運動。

同時，地殼本身也并不均勻，部分地區(qū)由于板塊重疊或地下有大量金屬礦藏等高密度物質(zhì)，在局部地區(qū)集中了大量的質(zhì)量。我們知道，引力和質(zhì)量是成正比的，因此質(zhì)量大的區(qū)域，引力也會相應增加。

數(shù)噸的人造衛(wèi)星運行在幾百千米的地球軌道上，地球微弱的引力不均勻產(chǎn)生的加速度對人造衛(wèi)星軌道的影響，肯定遠大于數(shù)十萬千米外重達數(shù)十億億噸的月球。月球軌道因為地球引力不均勻產(chǎn)生的變化，遠遠小于人類當時儀器的測量誤差，但人造衛(wèi)星的軌道變化大得足以影響衛(wèi)星的軌道預測。

GRAIL在清潔廠房中

測試太陽能帆版

了解地球引力場，對航天領域至關重要。為了研究地球引力場的不均勻狀況，改善衛(wèi)星軌道預測水平，美蘇兩國發(fā)射了一系列測地衛(wèi)星。這些衛(wèi)星帶有激光反射鏡和準確測量衛(wèi)星軌道用的輔助無線電設備，通過地面站對它的軌道進行測量和計算，可以得到地球引力不均勻?qū)Ω鱾€衛(wèi)星軌道影響的一系列數(shù)據(jù)。使用這些數(shù)據(jù)，人們可以建立一個以地球重心為中心的地球引力場模型。

在這個模型中，引力強度一致的點到地球重心的距離并非完全相同，和經(jīng)典引力場理論中那個光滑如彈珠表面的模型完全不同，這個“引力地球”看起來更像一個表面凹凸不平的桔子。

精確的地球引力模型對衛(wèi)星軌道設計和預測有重要意義，是延長衛(wèi)星的使用壽命，并奠定衛(wèi)星定位導航的基礎。有了引力場模型，準確定位衛(wèi)星、建立衛(wèi)星何時經(jīng)過某處上空的星歷就成為現(xiàn)實?，F(xiàn)在通行全球的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及同類系統(tǒng)，都是依靠這個地球引力模型來計算星歷，結(jié)合測地衛(wèi)星建立的地心大地坐標系來計算用戶所在位置的。

前面我們已經(jīng)提到，地球的引力不均勻與地殼及地球內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造有關，那么能否通過引力測量，得到關于地質(zhì)構(gòu)造的信息？

答案是肯定的。地表引力測量已是地質(zhì)和礦產(chǎn)勘探的一項重要技術(shù)，在板塊運動和地震研究中也起著重要作用。2002年，美國發(fā)射了一對GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）衛(wèi)星，通過高精度地反復測量全球引力并測量其變化，計算地球表面和內(nèi)部大量物質(zhì)的移動，對地幔、板塊和洋流運動進行長期跟蹤，了解這些運動的規(guī)律。中國也計劃發(fā)射一組類似的衛(wèi)星，用于研究和地震有關的地下斷層位置和變化情況。

從精確到更精確

與地球類似，月球也有引力異常區(qū)域。比如，蘇聯(lián)的月球10號探測器開始繞月飛行后，學者就從軌道實測數(shù)據(jù)和預測數(shù)據(jù)的差異發(fā)現(xiàn)，月球的引力場和地球類似，也是不均勻的。

1966年和1967年，美國發(fā)射多個月球軌道探測器，在拍攝月球表面的同時，地球測控站通過對衛(wèi)星的精密測距，建立了月球的引力場模型。月球的引力場和地球相比較為均勻，但在幾個撞擊環(huán)形山附近，卻出現(xiàn)了異常集中的高引力區(qū)，這被稱為“質(zhì)量集中區(qū)”。

這些數(shù)據(jù)最終用到了阿波羅登月飛船的導航系統(tǒng)中，使登月飛船能夠完成百米左右的精確著陸——美國航宇局的數(shù)據(jù)表明，假設忽略月球引力不均勻的作用，登月飛船能夠在預定點附近2千米范圍內(nèi)著陸就算了不起了。

但當時的月球引力測量還有很大局限。無線電波不能穿過月球，因此依賴無線電測距的軌道測量技術(shù)無法直接測量月球背面的衛(wèi)星，探月衛(wèi)星搭載的雷達高度計精度又不足以測量較弱的引力不均勻區(qū)帶來的軌道變化。當阿波羅16號釋放的小衛(wèi)星在貼近月球表面數(shù)千米的軌道上因為引力不均勻帶來的軌道變化墜毀后，人們就試圖尋找更精確的可以應用于月球重力測量的技術(shù)，來進一步了解地球的這個忠實伙伴。

2007年日本發(fā)射了“輝夜姬”月球探測器，這個探測器除了月球成像攝影機等常規(guī)設備外，還攜帶了兩個子衛(wèi)星，一個作為無線電中繼，地面可以使用無線電測量處于月球背面的探測器的軌道，另一個則由地面由多個射電望遠鏡組成的網(wǎng)絡測量其軌道和信號，在提供引力測量結(jié)果的同時測量月球上空微弱的電離層，所得數(shù)據(jù)進一步提高了無線電測距引力測量的精度。

“輝夜姬”成功地在月球背面獲取到與以往探測器精度接近的引力測量數(shù)據(jù)，但依賴地面測控系統(tǒng)的這種方式花費巨大，且始終局限于地面測控系統(tǒng)的精度。當GRACE衛(wèi)星發(fā)射并成功運行后，研究者們看到了新希望。執(zhí)行GRAIL任務的一對衛(wèi)星就可以說是在月球軌道上運行的GRACE衛(wèi)星。

和G R A C E一樣，通過比較多組GRAIL測量的引力數(shù)據(jù)，可以追蹤月球內(nèi)部的質(zhì)量移動，推測月球可能存在的軟幔與核心的運動規(guī)律。這些數(shù)據(jù)對于研究月球結(jié)構(gòu)、月球地質(zhì)歷史和起源，以及月球巖石中礦藏的分布都有重要意義，甚至可能用于未來的月球有人探索任務的導航和月面勘探。

GRAIL的測量結(jié)果也對以后的引力測量衛(wèi)星有著指導意義。月球是一個結(jié)構(gòu)較簡單的天體，使用GRAIL的技術(shù)對月球進行測量可以進一步了解此技術(shù)的可靠性和局限性，提供改進技術(shù)和處理數(shù)據(jù)的數(shù)學模型的依據(jù)。同樣的測量技術(shù)經(jīng)優(yōu)化后也可能用于其它天體的重力測量，比如太陽和其它行星。美國航宇局已經(jīng)升空的“朱諾”木星探測器也將使用無線電測距對木星這個深不可測的氣體行星的引力場進行測量，屆時，GRAIL任務中的技術(shù)細節(jié)、數(shù)學模型等內(nèi)容都可能用于對朱諾探測器的數(shù)據(jù)分析上。