奔向月球背面

徐蒙

難以“觸及"的月之背面

由于月球被地球的引力鎖定（即“潮汐鎖定”），月球的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相同，所以它總是以相同的一面朝向地球。不過，需要注意的是，“月之背面”并不是“月之暗面”，事實(shí)上，月球的背面和正面都會(huì)輪番被陽(yáng)光照射到。

盡管自1959年蘇聯(lián)的月球3號(hào)傳回了第一張?jiān)虑虮趁娴挠跋褚詠恚祟愐呀?jīng)派出上百個(gè)探測(cè)器，其中許多軌道器在環(huán)繞月球飛行的過程中，早已用各種遙感手段把月球背面的形貌、成分、重力等各種信息“探”了個(gè)遍，但著陸探測(cè)又是另外一回事了。

潮汐鎖定示意圖

自1958年開始嘗試探索月球以來，人類和無人探測(cè)器已經(jīng)成功著陸月球數(shù)十次，總計(jì)有20臺(tái)著陸器、6臺(tái)月球車、12位航天員安全登陸過月球表面，其中包括我國(guó)2013年12月成功著陸的嫦娥三號(hào)著陸器和玉兔號(hào)月球車。然而，這些著陸任務(wù)全部都位于月球正面——可以說，月球背面的著陸探測(cè)在人類航天史上仍是空白。

為紀(jì)念蘇聯(lián)拍到月球背面的第一張影像發(fā)行的郵票;當(dāng)時(shí)傳回的第一張?jiān)虑虮趁嬗跋?，左邊的暗色區(qū)域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海

前路險(xiǎn)阻，“鵲橋”先行

與正面著陸相比，月背著陸要困難許多，但最關(guān)鍵的一點(diǎn)是通信障礙。由于被地球潮汐鎖定，月球背面的探測(cè)器無法和地球直接通信。這也是之前美國(guó)和蘇聯(lián)數(shù)個(gè)月球著陸任務(wù)都安排在月球正面的一大原因。

為了配合嫦娥四號(hào)挑戰(zhàn)月背著陸，我國(guó)在2018年5月21日率先發(fā)射了一枚通信中繼衛(wèi)星——“鵲橋”，作為接下來發(fā)射的嫦娥四號(hào)與地球進(jìn)行通信的“橋梁”。2018年6月14日，“鵲橋”順利抵達(dá)預(yù)定的地月拉格朗日L2暈軌道（halo軌道）。

拉格朗日點(diǎn)分布示意圖

拉格朗日點(diǎn)是兩個(gè)天體的引力平衡點(diǎn)，兩個(gè)天體的周邊會(huì)有5個(gè)這樣的點(diǎn)（L1～L5）。在這些點(diǎn)上，兩個(gè)天體的引力綜合影響達(dá)到平衡，其中L2點(diǎn)就是地月連線上遠(yuǎn)離地球的那個(gè)點(diǎn)。處于拉格朗日點(diǎn)附近的探測(cè)器，可以始終保持相對(duì)于兩個(gè)天體幾乎靜止的狀態(tài)，這也就意味著在地月L2點(diǎn)附近，探測(cè)器能夠同時(shí)與地球和月球保持穩(wěn)定的通信。除此之外，在地月L2點(diǎn)附近，探測(cè)器不僅可以獲得更多的光照（太陽(yáng)能），而且維持軌道所需的能量更小。鑒于此處的諸多優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家們決定將“鵲橋”搭建在這里。

困難總是與機(jī)遇并存，由于沒有地球大氣層的干擾，所以月球背面具備得天獨(dú)厚的天文觀測(cè)環(huán)境，嫦娥四號(hào)也會(huì)充分利用月球背面的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，展開它那充滿未知和驚喜的探測(cè)之旅。

鵲橋中繼衛(wèi)星運(yùn)行示意圖

嫦娥四號(hào)的“落腳點(diǎn)”

月球背面面積寬廣，嫦娥四號(hào)的落腳點(diǎn)最終選在了南極-艾特肯盆地，這是月球背面南半球的一個(gè)巨型隕石坑。人們對(duì)南極-艾特肯盆地的認(rèn)識(shí)，貫穿了人類幾十年的月球探測(cè)史。

早在20世紀(jì)60年代初，天文觀測(cè)者就已經(jīng)注意到月球背面南半球很可能存在一個(gè)大型盆地，但直到1968年蘇聯(lián)的探測(cè)器6號(hào)傳回了這一區(qū)域的照片，人們才最終確定此盆地的存在。

南極-艾特肯撞擊坑

1994年，通過克萊門汀號(hào)探測(cè)器的探測(cè)，人們才從地形數(shù)據(jù)中真正認(rèn)識(shí)到南極-艾特肯盆地的輪廓，并且發(fā)現(xiàn)這里富集更多含鐵礦物。1998年，月球勘探者號(hào)獲取的礦物成分分布數(shù)據(jù)又告訴我們，這里除了富集含鐵礦物之外，還富集了含釷（tǔ）礦物，而且南極-艾特肯盆地其實(shí)并不是正圓形，而是一個(gè)橢圓形。從盆地的形態(tài)可以判斷出，當(dāng)年撞出南極-艾特肯盆地的那個(gè)小天體是以一個(gè)貼近地面的小角度傾斜撞擊過來的。此處雖然被命名為南極-艾特肯盆地，但并不表示這個(gè)盆地的中心位于南極，實(shí)際上此處距離月球南極還有一段距離?？茖W(xué)家只是以盆地兩端所處的位置——月球南極和艾特肯撞擊坑來對(duì)這個(gè)盆地進(jìn)行聯(lián)合命名的。

選擇在南極-艾特肯盆地著陸，是因?yàn)檫@里獨(dú)特的環(huán)境對(duì)于我們認(rèn)識(shí)月球具有特殊意義，還因?yàn)檫@里獨(dú)特的地理環(huán)境。首先，南極-艾特肯盆地是太陽(yáng)系中目前已知的超大型撞擊盆地之一，它可以幫助我們了解太陽(yáng)系中的超大型撞擊事件。其次，這里深度達(dá)13千米，是月球上最深的撞擊盆地。這意味著當(dāng)年的撞擊事件很可能撞出了月殼深處甚至月幔中的物質(zhì)，這些物質(zhì)也許會(huì)成為我們研究月球內(nèi)部成分的鑰匙。最后，據(jù)估計(jì)南極一艾特肯盆地形成于月球的前酒海紀(jì)（39.2億年前），是月球上最古老的大型撞擊盆地。人類想要追尋月球45億年的漫長(zhǎng)歷史，南極-艾特肯盆地就是一個(gè)至關(guān)重要的突破口。

月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

月球上的亮色區(qū)域主要是斜長(zhǎng)石（斜長(zhǎng)巖90%以上的成分是斜長(zhǎng)石）的顏色

不過殼和幔的成分又有什么區(qū)別呢？硅酸鹽都是什么鹽？具體到每顆巖質(zhì)天體，差別其實(shí)很大。舉個(gè)例子，地殼的平均成分更接近安山巖（最上層主要是花崗巖）;而原始月殼則大部分由亮色的斜長(zhǎng)巖組成——這也是我們?nèi)缃裨谠虑蛏峡吹降牧辽叩氐念伾?。?duì)于月殼的組成成分，科學(xué)家們可以通過地基望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器給月球表面拍照，或者使用各種遙感儀器來粗略推測(cè)。但是，深層的月幔就很難判斷了。什么？你說挖出來看看？別鬧了，迄今為止咱們連挖穿地殼探究地幔都做不到呢，何況是遙遠(yuǎn)的月球……

天文地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為：月幔和地幔很可能有相似之處，前者在巖漿海洋冷卻分異的過程中率先結(jié)晶出來的物質(zhì)之一應(yīng)該是橄欖石，因此月幔里很可能存在不少橄欖石。如何驗(yàn)證這一假設(shè)呢？

首先，月海玄武巖能給出一些參考。月海玄武巖被認(rèn)為來自月幔，因?yàn)橄啾扔诹辽母叩匚镔|(zhì)（斜長(zhǎng)石），月海玄武巖有著較高的橄欖石和輝石成分，呈現(xiàn)出鎂鐵質(zhì)的暗黑色——這就是如今我們?cè)谠虑蛏峡吹降哪切┍环Q為“月?！眳^(qū)域的暗黑色的由來。

但是，這些玄武巖中的橄欖石并不是月幔演化歷史早期結(jié)晶形成的“原生”橄欖石，因?yàn)檫@些玄武巖是后來來自月幔的巖漿隨著火山活動(dòng)上涌到月表之后，再冷卻結(jié)晶固化形成的，而且月幔物質(zhì)在上涌的過程中本身也會(huì)不斷演化。所以，最終形成的月海玄武巖只能幫助我們推測(cè)月幔成分，它并不等同于月幔成分。

除了月海玄武巖，大型撞擊盆地也能提供很多線索。小行星和彗星的撞擊可以挖掘出大量原本掩埋在地表以下的物質(zhì)——撞擊規(guī)模越大，挖掘得就越深。也就是說，月球上的一些大型撞擊事件很可能能夠撞穿月殼，直接把月幔上層（上月幔）的原生月幔物質(zhì)挖掘出來。2011年，NASA發(fā)射的“圣杯號(hào)”月球探測(cè)器獲得的高精度月球全球重力場(chǎng)數(shù)，就幫助科學(xué)家估算出了月殼的厚度分布。結(jié)果顯示，月球上一些大型撞擊盆地中的月殼非常薄，有些地方（如莫斯科海、危海）月殼厚度甚至近于0。這么薄的月殼意味著當(dāng)年的小行星撞擊很可能撞穿了這些地方的月殼，把上月幔物質(zhì)挖掘和拋射到了月球表面。遙感數(shù)據(jù)也證實(shí)在月球上的大型撞擊盆地附近發(fā)現(xiàn)了一些富橄欖石區(qū)域，這些橄欖石很可能來自月幔。

“圣杯”月球探測(cè)器重力數(shù)據(jù)估算的月殼厚度，圖中顯示南極艾特肯盆地一帶也是月殼比較薄的區(qū)域之一

但這些暴露出來的富橄欖石物質(zhì)，相比于月球早期密集的撞擊和大型撞擊盆地的規(guī)模來說，好像還是少了點(diǎn)兒。如果上月幔真的富含橄欖石，那么橄欖石似乎應(yīng)該遍布月球表面，但至少在嫦娥四號(hào)著陸區(qū)所在的南極一艾特肯盆地內(nèi)部，之前的所有研究中都沒有發(fā)現(xiàn)過橄欖石的痕跡。所以，圍繞“月幔到底含有什么成分？”“如果富含橄欖石，那些橄欖石又去了哪里？”等問題，嫦娥四號(hào)探測(cè)器給出了新的線索。

玉兔二號(hào)開始工作后，在第1個(gè)月晝里，便利用紅外成像光譜儀對(duì)沿途兩處探測(cè)點(diǎn)（0015和0016）的土壤進(jìn)行了光譜探測(cè)。最終探測(cè)數(shù)據(jù)表明：嫦娥四號(hào)在著陸區(qū)獲取的光譜數(shù)據(jù)，與位于雨海中的嫦娥三號(hào)著陸區(qū)光譜明顯不同。嫦娥四號(hào)著陸區(qū)礦物的光譜吸收特征顯示：著陸區(qū)一帶的鎂鐵質(zhì)組成成分中可能含有顯著的低鈣輝石和橄欖石成分。

這些橄欖石從何處來呢？科學(xué)家們給出的一種可能性是：來自南極一艾特肯盆地一帶的上月幔。也就是說，可能是一顆很大的小行星撞擊月球表面帶出的月球深部物質(zhì)?？傊@些物質(zhì)可能原本來自上月幔，最終經(jīng)由芬森撞擊坑的挖掘拋射過程飛到了嫦娥四號(hào)著陸區(qū)一帶。如果是這樣的話，很可能上月幔也會(huì)含有大量的低鈣輝石和橄欖石成分。

不過，這并不是唯一的可能性，專家也給出了另一種可能性，那就是這些低鈣輝石和橄欖石也有可能并不是來自上月幔原本的“原生礦物”，而是在后來撞擊產(chǎn)生的熔融物質(zhì)中分異結(jié)晶出來的產(chǎn)物。

轉(zhuǎn)眼一年過去了，嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)已經(jīng)獲得了豐碩的科學(xué)成果。相信勤勞勇敢的玉兔二號(hào)，在未來還會(huì)走得更遠(yuǎn)，看更多的月背風(fēng)景，探索關(guān)于月球背面更多的奧秘。