假如人類(lèi)登陸火星，會(huì)有怎樣的“中秋月色”

□文/卞毓麟

制圖/王梓含

中秋時(shí)節(jié)，當(dāng)我們?cè)诘厍蛏稀芭e頭望明月”時(shí)，我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器正在飛赴太陽(yáng)系中的那顆紅色星球。

你有沒(méi)有想過(guò)，在火星上 “賞月”會(huì)是怎樣的體驗(yàn)？畢竟，月亮是地球的天然衛(wèi)星，火星也有，而且還有兩個(gè)。迄今為止，人類(lèi)還從未登上過(guò)火星。然而，天文學(xué)家對(duì)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(lèi)可到火星上去“賞月”，所見(jiàn)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

先來(lái)認(rèn)識(shí)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(guó)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(zhǎng)達(dá)90年的時(shí)間里，除了距離和公轉(zhuǎn)周期等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)外，人們對(duì)于它們的其他情況一無(wú)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(cè)，它們也只是緊挨著火星的兩個(gè)幽暗的小光點(diǎn)而已。

人們只能斷定它們很小，可是究竟是多小呢？對(duì)此，人們只能做一些粗略的估計(jì)。例如，假定它們反射光線(xiàn)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(hào)”探測(cè)器拍攝了正好運(yùn)行到它與火星之間的火衛(wèi)一。結(jié)果人們發(fā)現(xiàn)，火衛(wèi)一暗得出乎意料，它反射光線(xiàn)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(huì)像人們所觀測(cè)到的那么亮。后來(lái)，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。這兩顆衛(wèi)星的外觀有如某些石質(zhì)隕星，可它們的構(gòu)造看起來(lái)與火星全然不同。

兩顆火衛(wèi)的外形都很不規(guī)則，根本就不是一個(gè)球，這點(diǎn)人們倒是料到了。因?yàn)?，像地球或者月球這樣的大天體，在自身引力作用下，其所有各部分的物質(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(chǎng)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(hào)”火星探測(cè)器則直接為這兩顆衛(wèi)星拍攝了許多照片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每一顆衛(wèi)星沿著不同的方向測(cè)量，其長(zhǎng)度皆不相同。而且，它們的體積真的很小，倘若我們把月球完全掏空的話(huà)，那就需要380萬(wàn)個(gè)火衛(wèi)一緊密地?cái)D在一起才能填滿(mǎn)它，或者用2 000萬(wàn)個(gè)火衛(wèi)二來(lái)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(lèi)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(wàn)分之一，火衛(wèi)二的質(zhì)量則約為月球質(zhì)量的3 000萬(wàn)分之一。

繞火星運(yùn)行的火衛(wèi)一和火衛(wèi)二

火衛(wèi)的大小、質(zhì)量和表面重力直徑（千米）衛(wèi)星平均表面重力（地球=1）長(zhǎng)徑 中徑 短徑質(zhì)量（萬(wàn)億噸）火衛(wèi)一 27.0 22 18 10.6 0.00063火衛(wèi)二 15.0 12.2 10.4 2.4 0.00036

不過(guò)，一旦宇航員當(dāng)真在火衛(wèi)上著陸，他們將會(huì)發(fā)現(xiàn)自己幾乎完全處于失重狀態(tài)。因?yàn)閮深w火衛(wèi)的逃逸速度小得微乎其微——僅為數(shù)米每秒，宇航員可以輕而易舉地脫離這兩顆衛(wèi)星。

脫離火衛(wèi)固然容易，但要擺脫火星本身的引力桎梏卻難得多。在火衛(wèi)一所處距離上，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，宇航員稍一使勁就能離開(kāi)火衛(wèi)一或火衛(wèi)二，但他們的速度還要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(huì)成為一個(gè)在環(huán)繞火星軌道上運(yùn)行的新衛(wèi)星。

先來(lái)看火衛(wèi)二 蒼穹一掛兩天

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

長(zhǎng)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(wú)幾?；鹦窃谧赞D(zhuǎn)的過(guò)程中固然會(huì)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(huì)看到：火衛(wèi)二雖然也像月球一樣?xùn)|升西落，但落山卻遠(yuǎn)不及月球那么快。要是火衛(wèi)二的公轉(zhuǎn)速度再快一些——快得正好能趕上火星的自轉(zhuǎn)，它就不會(huì)被火星的自轉(zhuǎn)甩在后面了。這時(shí)，在火星上“賞月” 的人將會(huì)看到，這個(gè)“小月亮”逗留在天空中，既不上升也不下落。這種公轉(zhuǎn)周期與行星的自轉(zhuǎn)周期相等的衛(wèi)星叫作“同步衛(wèi)星”，它永遠(yuǎn)固定在其所屬行星表面某一點(diǎn)的上空。

火衛(wèi)二不是同步衛(wèi)星，但它的公轉(zhuǎn)速度已經(jīng)快要趕上火星的自轉(zhuǎn)速度了，因此其東升西落極其緩慢。如果立于火星之上，人們將會(huì)看到火衛(wèi)二從東方地平線(xiàn)升起到西方地平線(xiàn)落下，歷時(shí)竟達(dá)66小時(shí)。而接下來(lái)的66小時(shí)，火衛(wèi)二則會(huì)始終隱沒(méi)在地平線(xiàn)下，然后重新“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(shuō)，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(zhǎng)度——它相對(duì)于太陽(yáng)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：從“新月”到“滿(mǎn)月”，又復(fù)歸于“新月”。因此，在火星“賞月”者的天空中，火衛(wèi)二從東方地平線(xiàn)上露頭開(kāi)始，須展示兩次完整的“月相”循環(huán)，并且要再過(guò)5小時(shí)，才沉落到西方地平線(xiàn)下。

如果肉眼能夠看出火衛(wèi)二的圓缺變化，這種情景定然會(huì)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(shuō)的一切。對(duì)于肉眼而言，只能看出火衛(wèi)二的亮度經(jīng)歷著從最亮（“滿(mǎn)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(huì)離“賞月”者較近，因而較亮；下落到地平線(xiàn)時(shí)，離“賞月”者較遠(yuǎn)，因而較暗。

不過(guò)，由于太陽(yáng)和火星的參與，火衛(wèi)二的“月相”循環(huán)經(jīng)常會(huì)被更宏大的“插曲”攪亂。在火衛(wèi)二位于地平線(xiàn)以上的時(shí)段，太陽(yáng)在火星的天空中至少要東升西落兩次。當(dāng)太陽(yáng)出現(xiàn)在天空中時(shí)，火衛(wèi)二不會(huì)是“滿(mǎn)月”，有時(shí)陽(yáng)光還會(huì)把它“淹沒(méi)”。在火星上的夜間，太陽(yáng)不再出現(xiàn)于天空中。在火衛(wèi)二本應(yīng)成為“滿(mǎn)月”時(shí)，卻又會(huì)發(fā)生“月食”——火衛(wèi)二鉆進(jìn)了火星的影子。

火衛(wèi)一更有趣 邊快跑邊變臉

火衛(wèi)一比火衛(wèi)二還要迷人，由于它的公轉(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(yáng)系中，這種情況絕無(wú)僅有。火衛(wèi)一越過(guò)火星上的“賞月”者快快往前跑，因而“賞月”者將會(huì)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)周期之半，即約3小時(shí)50分。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(xiàn)到?jīng)]入東方地平線(xiàn)，實(shí)際需歷時(shí)約5個(gè)半小時(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。和火衛(wèi)二一樣，當(dāng)火衛(wèi)一變成“滿(mǎn)月”時(shí)，它也會(huì)鉆進(jìn)火星的影子從而發(fā)生“月食”。當(dāng)它處于“新月” 前后時(shí)，又會(huì)被烈日的光輝所“淹沒(méi)”。

“賞月”緯度有限

火衛(wèi)一過(guò)于靠近火星，還會(huì)造成另一種奇景。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(cè)者都會(huì)看到，月球在每天東升西落的中途恰恰經(jīng)過(guò)他上方的天頂。但在北半球或南半球的觀測(cè)者看來(lái)，月球卻總是偏于南邊或北邊，絕不會(huì)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(cè)者將會(huì)看到月球幾乎是貼著地平線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(huì)看到這兩個(gè)“小月亮”幾乎是在貼著地平線(xiàn)轉(zhuǎn)圈，在某個(gè)方向上，它們可以高出地平線(xiàn)1°以上，而在相反方向上又沉到地平線(xiàn)以下1°有余。

實(shí)際情況甚至比這更糟。火星是一個(gè)球體，它不是平的，站在兩極附近的人不可能看見(jiàn)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(xiàn)。兩個(gè)火衛(wèi)離火星的赤道很近，它們永遠(yuǎn)隱沒(méi)在兩極的地平線(xiàn)下，因此，站在火星兩極的人永遠(yuǎn)沒(méi)有“賞月”的機(jī)會(huì)。

火衛(wèi)一

火衛(wèi)二

在火星上“賞月”，要受到緯度的限制 制圖/王梓含

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

舉頭望星空 火星“滿(mǎn)月”有多亮

當(dāng)火衛(wèi)呈“滿(mǎn)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。在火星赤道上，如果火衛(wèi)在半夜時(shí)分到達(dá)天頂，就該發(fā)生這種情況，可惜此時(shí)它們又恰好鉆進(jìn)了火星的陰影，不再被看見(jiàn)。

實(shí)際上，當(dāng)火衛(wèi)最亮?xí)r，火星上的“賞月”者將會(huì)看到它們呈小小的卵狀。火衛(wèi)的長(zhǎng)徑總是直接指向火星，所以幾乎與“賞月”者的視線(xiàn)方向重合。這意味著在火星上看見(jiàn)的火衛(wèi)一長(zhǎng)度是22千米，寬度是18千米；火衛(wèi)二的長(zhǎng)度是12.2千米，寬度是10.4千米。由此可見(jiàn)，當(dāng)它們位于天頂時(shí)的視大小，都比月球小得多——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(xiàn)時(shí)的視直徑僅為月球的1/4，視面積則為月球的1/15?；鹦l(wèi)二的視大小又比火衛(wèi)一小得多，即使在最大時(shí)，它看上去也只是一顆明亮的星星而已。

當(dāng)火衛(wèi)被發(fā)現(xiàn)之后，曾有不少作品談?wù)摗盎鹦堑膬蓚€(gè)月亮”，浪漫地設(shè)想火星上的情侶將比地球上的情侶有更多的幽會(huì)佳期。只可惜，火衛(wèi)的視大小遠(yuǎn)不如我們的月亮那么顯眼，它們的光輝也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上我們的月亮。

那么，當(dāng)它們最亮?xí)r究竟可以有多亮呢？和月球相比，火衛(wèi)離太陽(yáng)更遠(yuǎn)、反射光的能力更差、視面積也更小，綜合這些因素后，我們可以推算出，在火星上看到火衛(wèi)一的亮度至多只有地球上所見(jiàn)滿(mǎn)月的1/16，而火衛(wèi)二的亮度則不足滿(mǎn)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(yáng)以外最亮的天體。

火星天空中的亮天體天體 最亮?xí)r的星等火衛(wèi)一 -9.6火衛(wèi)二 -5.1地球 -4.5木星 -3.1金星 -2.6天狼星 -1.4月球 0.0

在火星上看地球的啟示

放眼火星蒼穹，除了太陽(yáng)，最亮的恒星是天狼星，這與在地球的天空中完全一樣。在那里，除了太陽(yáng)和火衛(wèi)，還有3個(gè)天體也經(jīng)常比天狼星更亮，它們分別是地球、木星、金星。

站在火星上回望地球，地球也成了一顆明亮的星星，亮度在火星夜空中居第三位。在火星上看到的地球，幾乎與地球上看到的金星一般亮，其亮度幾乎可達(dá)火衛(wèi)二的3/5，而且它比火衛(wèi)二更惹人注目，其原因在于月球就在地球近旁。

火星上的觀測(cè)者將會(huì)看到，地球和月球宛如一對(duì)“雙行星”，它們的最大角間距可達(dá)24′，這相當(dāng)于在地球上看見(jiàn)的滿(mǎn)月角直徑的3/4?；鹦巧系挠^測(cè)者還會(huì)看到，月球可以亮到0.0等；這雖然只有地球亮度的1/70，但仍不失為天空中的一顆明星。

火星上的觀測(cè)者很快就會(huì)注意到，月球始終在地球近旁來(lái)回晃動(dòng)。同時(shí)，他還會(huì)看到，整個(gè)地月系統(tǒng)在太陽(yáng)附近來(lái)回晃動(dòng)：它們從太陽(yáng)的一側(cè)徐徐向太陽(yáng)靠攏，直到“淹沒(méi)”在陽(yáng)光中；過(guò)段時(shí)間，它們又開(kāi)始在太陽(yáng)的另一側(cè)露頭，并且離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)；遠(yuǎn)到一定程度，它們又慢慢返回，再度“淹沒(méi)”于陽(yáng)光之中……

對(duì)于火星上的觀測(cè)者而言，月球顯然是在繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)，就像伽利略在望遠(yuǎn)鏡中看見(jiàn)4個(gè)大木衛(wèi)正在環(huán)繞木星轉(zhuǎn)動(dòng)一般。這位觀測(cè)者根據(jù)簡(jiǎn)單的類(lèi)比就會(huì)明白，地球必定正在帶著月球一起繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

火星上要是也有土著的古代天文學(xué)家，他們馬上就會(huì)想到：天體并不總是繞著火星轉(zhuǎn)動(dòng)的，它們可以環(huán)繞其他天體轉(zhuǎn)動(dòng)。他們大概不會(huì)像絕大多數(shù)古希臘天文學(xué)家囿于地心宇宙體系那樣執(zhí)著地信奉“火心”宇宙體系，而是會(huì)及早領(lǐng)悟到所有的行星都繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而牢固地確立起“太陽(yáng)系”的概念。

可以設(shè)身處地想一下：要是金星也有一顆像我們的月球那樣的衛(wèi)星，那么，地球上的古代天文學(xué)家也許就能因目睹這顆衛(wèi)星環(huán)繞金星運(yùn)動(dòng)而得到啟示，從一開(kāi)始就建立起某種日心宇宙體系了吧！