假如人類登陸火星，會有怎樣的“中秋月色”

■文/卞毓麟

當(dāng)同學(xué)們中秋節(jié)在地球上“舉頭望明月”時(shí)，我國“天問一號”火星探測器正飛赴太陽系中的那顆紅色星球。

雖然迄今為止人類還從未登上過火星，然而天文學(xué)家對到火星上仰望星空時(shí)的景象卻已一清二楚：地球只有一個(gè)月亮，火星卻有兩個(gè)；地球的月亮又大又圓，火星的“月亮”又小又丑；地球的月亮離地球那么遠(yuǎn)、繞地球轉(zhuǎn)得那么慢，火星的“月亮”卻離火星那么近、繞火星轉(zhuǎn)得那么快……

如果有朝一日，人類可到火星上去“賞月”，所見到的究竟是一番怎樣的景象呢？

火星“小月亮”，天上兩個(gè)小山包

阿薩夫·霍爾

先來認(rèn)識一下火星的兩個(gè)“小月亮”——它的兩顆天然衛(wèi)星：火衛(wèi)一和火衛(wèi)二。

自1877 年美國天文學(xué)家阿薩夫·霍爾發(fā)現(xiàn)火星有兩顆衛(wèi)星之后，在長達(dá)90年的時(shí)間里，除了距離和公轉(zhuǎn)周期等運(yùn)動數(shù)據(jù)外，人們對于它們的其他情況一無所知，就連它們的確切大小都不知道。即便用最好的天文望遠(yuǎn)鏡觀測，它們也只是緊挨著火星的兩個(gè)幽暗的小光點(diǎn)而已。

人們斷定它們很小，可究竟是多小呢？對此，人們只能做一些粗略的估計(jì)。例如，假定它們反射光線的能力一如月球，那么就可根據(jù)它們的總亮度估算出它們的體積。

1956 年，旅美荷蘭天文學(xué)家柯伊伯用這種方法估算出火衛(wèi)一的直徑約為12 千米，火衛(wèi)二的直徑則約為6 千米——它們就像在火星上空飛翔的兩座山。1969 年，飛向火星的“水手7 號”探測器拍攝下了正好運(yùn)行到它與火星之間的火衛(wèi)一。人們發(fā)現(xiàn)，火衛(wèi)一暗得出乎意料，它反射光線的能力比之前預(yù)計(jì)的更弱。所以，它的個(gè)頭必定比柯伊伯估算的大很多，才會像人們所觀測到的那么亮。后來，天文學(xué)家又查明，火衛(wèi)二亦如火衛(wèi)一那么暗，因此它也比柯伊伯估計(jì)的要大一些。

兩顆火衛(wèi)的外形都很不規(guī)則，根本就不是一個(gè)球體，這點(diǎn)人們倒是料到了。因?yàn)橄竦厍蚧蛘咴虑蜻@樣的大天體，在自身引力的作用下，其各部分所有的物質(zhì)都盡可能地向中心靠攏，自然而然就成為球狀。然而，像火衛(wèi)這樣的小天體引力場極弱，以至于不能使其全部物質(zhì)都緊湊地團(tuán)聚在一起，因此依然保持著不規(guī)則的外形。

1971 年5 月30 日發(fā)射的“水手9 號”火星探測器則直接為這兩顆衛(wèi)星拍攝下了許多照片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每一顆衛(wèi)星沿著不同的方向測量，其長度皆不相同。而且它們的體積真的很小，倘若把月球完全掏空的話，需要380 萬個(gè)火衛(wèi)一緊密地?cái)D在一起才能填滿，或者用2 000 萬個(gè)火衛(wèi)二來填充。

假如火衛(wèi)一和火衛(wèi)二的物質(zhì)密度都同與其相似的那類隕星相當(dāng)，即約2 克/立方厘米，那么根據(jù)這兩顆衛(wèi)星的體積與密度，就可計(jì)算出火衛(wèi)一的質(zhì)量約為月球質(zhì)量的690 萬分之一，火衛(wèi)二的質(zhì)量則約為月球質(zhì)量的3 000 萬分之一。

不過，一旦宇航員當(dāng)真在火衛(wèi)上著陸，他們將會發(fā)現(xiàn)自己幾乎完全處于失重狀態(tài)。在火衛(wèi)一所處的距離上,火星的逃逸速度仍高達(dá)3千米/秒；而在火衛(wèi)二那里，火星的逃逸速度也有1.9千米/秒。所以，宇航員們稍一使勁就能離開火衛(wèi)一或火衛(wèi)二，但他們的速度尚需加快三四百倍才能脫離火星引力的羈絆。否則，任何東西一旦脫離那兩顆火衛(wèi)，就會成為一個(gè)在環(huán)繞火星的軌道上運(yùn)行不止的新衛(wèi)星。

火衛(wèi)二：蒼穹一掛兩天

既然火衛(wèi)與月亮差別如此之大，那么在火星上“賞月”肯定會有許多奇特體驗(yàn)，先來看看火衛(wèi)二。

長達(dá)66 小時(shí)的徐升緩降

與月球公轉(zhuǎn)和地球自轉(zhuǎn)方向相同一樣，火衛(wèi)二繞火星公轉(zhuǎn)的方向也和火星的自轉(zhuǎn)方向相同，都是自西向東。但火衛(wèi)二公轉(zhuǎn)一周只要30.3 小時(shí)，同火星24.6 小時(shí)自轉(zhuǎn)一周相差無幾?；鹦窃谧赞D(zhuǎn)的過程中會把火衛(wèi)二甩在后面，但火衛(wèi)二緊追不舍。

于是，在火星上“賞月”的人將會看到：火衛(wèi)二雖然也像我們的月球一樣?xùn)|升西落，但落山遠(yuǎn)不及月球那么快。如果立于火星之上，人們將會看到火衛(wèi)二從東方地平線升起到西方地平線落下，歷時(shí)竟可長達(dá)約66 小時(shí)。而接下來的66 小時(shí)，火衛(wèi)二則會始終隱沒在地平線下，然后“月出東山”。

一次露臉，“月相”循環(huán)兩次

正如月球始終以其同一面朝向地球那樣，火衛(wèi)二也始終以其同一面朝向火星。也就是說，火衛(wèi)二的自轉(zhuǎn)周期與其公轉(zhuǎn)周期相等，同為30.3 小時(shí)。在火衛(wèi)二上，一晝夜的長度——它相對于太陽自轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間——就是30.3小時(shí)，而它在30.3 小時(shí)內(nèi)又經(jīng)歷了全部的月相變化。因此，火衛(wèi)二從東方地平線上露頭開始，需展示兩次完整的月相循環(huán)，并且要再過5 小時(shí)，才沉落到西方地平線下。

如果肉眼能夠看出火衛(wèi)二的圓缺變化，那么這種情景定然會給“賞月”者留下十分深刻的印象。遺憾的是，火衛(wèi)二的視圓面太小，只有用望遠(yuǎn)鏡才能看清楚上面所說的這一切。對于肉眼而言，只能看出火衛(wèi)二的亮度經(jīng)歷著從最亮（滿月時(shí)）變到最暗（新月時(shí)），又從最暗到最亮的變化。同時(shí)，火衛(wèi)二上升到天頂時(shí)，會離“賞月”者較近，因而較亮；下落到地平線時(shí)，離“賞月”者較遠(yuǎn)，因而較暗。

不過，由于太陽和火星的參與，火衛(wèi)二的月相循環(huán)經(jīng)常會被更宏大的“插曲”攪亂。在火衛(wèi)二位于地平線以上的時(shí)段，太陽在火星的天空中至少要東升西落兩次。當(dāng)太陽出現(xiàn)在天空中時(shí)，火衛(wèi)二不會是滿月，有時(shí)陽光還會把它淹沒。在火星上的夜間，太陽不再出現(xiàn)于天空中。在火衛(wèi)二本應(yīng)成為滿月時(shí)，卻又會發(fā)生月食——火衛(wèi)二鉆進(jìn)了火星的影子。

火衛(wèi)一：邊快跑邊變臉

由于火衛(wèi)一的公轉(zhuǎn)比火衛(wèi)二要快很多，更讓人們看到了火星“月亮”善變的臉。

“跑步健將”西升東落

火衛(wèi)一每7.65 小時(shí)就繞火星公轉(zhuǎn)一周，這比火星自轉(zhuǎn)一周快得多。在太陽系中，這種情況絕無僅有?；鹦l(wèi)一越過火星上的“賞月”者快速往前跑，因而“賞月”者將會看到這個(gè)“月球”竟然是西升東落的。

如果火星根本不自轉(zhuǎn)，那么火衛(wèi)一從西方升起到東方落下所經(jīng)歷的時(shí)間就應(yīng)該是其公轉(zhuǎn)周期的一半。但實(shí)際上，火星也朝著同一方向自轉(zhuǎn)，所以火衛(wèi)一從露出西方地平線到?jīng)]入東方地平線，實(shí)際需歷時(shí)約5.5 小時(shí)。

火衛(wèi)一遍歷一次完整的月相變化約需7.5 小時(shí)，因此“賞月”者可以眼看著這個(gè)“小月亮”在天空中一邊跑，一邊改變著自己的形象。當(dāng)火衛(wèi)一變成滿月時(shí),它也會鉆進(jìn)火星的影子，發(fā)生月食。當(dāng)它處于新月前后時(shí)，又會被烈日的光輝所淹沒。

“賞月”緯度有限

由于月球的軌道平面與地球的赤道面有較大的傾斜夾角，所以我們即使在地球的兩極，有時(shí)候也能看到月球升得相當(dāng)高。如果月球的軌道平面恰好與地球的赤道面重合，那么位于地球赤道上任何地方的觀測者都會看到，月球在每天東升西落的中途恰恰經(jīng)過他的天頂。但在北半球或南半球的觀測者看來，月球卻總是偏于南邊或北邊，而絕不會直達(dá)天頂。而且，越是靠近南北兩極，所看到的月球在天空中的位置也越低；在十分靠近兩極的地方，觀測者將會看到月球幾乎是貼著地平線轉(zhuǎn)動的。

這種“如果”就發(fā)生在火星上?；鹦l(wèi)一和火衛(wèi)二的軌道平面都與火星的赤道平面相當(dāng)接近：火衛(wèi)一的軌道面相對于火星的赤道面僅僅傾斜1.1°，火衛(wèi)二的軌道面也僅傾斜1.8°。因此，如果“賞月”者前往相當(dāng)接近火星兩極的地方，就會看到這兩個(gè)“小月亮”幾乎是在貼著地平線轉(zhuǎn)圈。在某個(gè)方向上，它們可以高出地平線1°以上，而在相反方向上又沉到地平線以下1°有余。

實(shí)際情況甚至比這更糟?；鹦鞘且粋€(gè)球體，站在兩極附近的人不可能看見赤道附近的東西，因?yàn)樵趦蓸O與赤道之間鼓起的球體擋住了視線。兩個(gè)火衛(wèi)離火星的赤道很近，它們永遠(yuǎn)隱沒在兩極的地平線下，因此站在火星兩極的人永遠(yuǎn)沒有“賞月”的機(jī)會。

火衛(wèi)二離火星還算比較遠(yuǎn)，火星上緯度不超過83°的地方都可以看見它?；鹦l(wèi)一離火星就更近了，位于火星上北緯70°以北或者南緯70°以南的觀測者是永遠(yuǎn)看不見它的。

“好奇號”火星車在火星表面拍攝到的火衛(wèi)一照片

舉頭望星空，火星“滿月”有多亮

當(dāng)火衛(wèi)呈滿月狀且位于天頂附近時(shí)，就應(yīng)該比其他任何時(shí)候都更明亮。實(shí)際上，當(dāng)火衛(wèi)最亮?xí)r，火星上的“賞月”者將會看到它們呈小小的卵狀?；鹦l(wèi)的長徑總是直接指向火星，所以幾乎與“賞月”者的視線方向重合。這意味著在火星上看見的火衛(wèi)一長度是22 千米，寬度是18 千米；火衛(wèi)二的長度是12.2 千米，寬度是10.4千米。由此可見，當(dāng)它們位于天頂時(shí)的視大小，都比月球的小得多——火衛(wèi)一在天頂時(shí)的視直徑不及月球的一半，視面積僅為月球的1/7；在地平線時(shí)的視直徑僅為月球的1/4,視面積則為月球的1/15。即使在最大時(shí)，火衛(wèi)二看上去也只是一顆明亮的星星而已。

那么，當(dāng)它們最亮?xí)r究竟可以有多亮呢？火衛(wèi)比月球離太陽更遠(yuǎn)、反射光的能力更差、視面積也更小，綜合這些因素，可以推算出在火星上看到火衛(wèi)一的亮度至多只有地球上所見滿月的1/16，而火衛(wèi)二的亮度則不足滿月亮度的千分之二。然而，在火星的天空中，它們依然是除了太陽以外最亮的天體。