探索月球400年

賈斌

不久前，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所聯(lián)合國內(nèi)多所高校的研究人員，以嫦娥工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國際上其他探月工程獲得的數(shù)據(jù)和成果，發(fā)布了全球首幅1∶250萬全月地質(zhì)圖。這是多年來探月成果的總結(jié)，代表了目前我們對月表物質(zhì)成分以及構(gòu)造演化等性質(zhì)的全面認(rèn)識，也為未來月球探測和研究提供了重要參考?；仡檸装倌陙砣祟悓υ旅娴奶剿鳉v程，更能讓人感受到科學(xué)進(jìn)步的不易。

大撞擊理論認(rèn)為，月球起源于一次大撞擊事件，一個火星大小的星體在45億年以前撞上了原始地球，濺射出的物質(zhì)在地球軌道上形成了月球。在月球形成之初，太陽系中仍舊有許多小星體經(jīng)常撞擊月球，形成很多大大小小的隕石坑。

從玉兔搗藥到環(huán)形山

月球是地球的天然衛(wèi)星，從人類的記憶伊始，月亮就懸在夜空中，引發(fā)人們的無限遐想。滿月之時，最吸引人的就是上面明暗交生的圖案了。在中國古代神話中，稱月球為廣寒宮，住著美麗的嫦娥，她有一只搗藥的玉兔，還有一位砍桂樹的鄰居吳剛。玉兔和桂樹就是古人根據(jù)看到的月亮表面明暗交生的圖案，想象出的美麗意象。

而在西方，根據(jù)古希臘哲學(xué)家和早期基督教的觀點，天國是完美的，位于天國的月球（以及其他星球）是一個完美的球體，表面光滑，其明暗紋路是人觀察的角度造成的。

在1609年的秋季，意大利天文學(xué)家伽利略用改進(jìn)的一架望遠(yuǎn)鏡指向了月球，并進(jìn)行了多日的觀測。伽利略并非第一個用望遠(yuǎn)鏡觀察月球的人，但卻是第一個仔細(xì)記錄和思考觀察結(jié)果的人。他發(fā)現(xiàn)，月球表面布滿了各種大大小小的凹坑和山脈，還有峽谷，和地球上很相似，這迥異于人們一直以來的想象。這些山往往是環(huán)形的，中間凹陷四周高聳似碗狀，伽利略稱之為環(huán)形山。

伽利略發(fā)現(xiàn)月球上的環(huán)形山，其意義要遠(yuǎn)大于發(fā)現(xiàn)本身。當(dāng)時的西方篤信地心說，即認(rèn)為日月星辰都是圍繞地球旋轉(zhuǎn)的，地球是宇宙的中心。在伽利略之前，哥白尼等人已經(jīng)通過天文觀測與計算，向地心說發(fā)起了挑戰(zhàn)，提出太陽才是中心，地球圍繞太陽轉(zhuǎn)。伽利略的觀測，破除了月球是完美的球體這一傳統(tǒng)認(rèn)識，證明月球和地球是非常像的，地球并不特殊。那么，在地心說體系中，月球是運動的，并不特殊的地球是不是應(yīng)該也是運動的？基于此，伽利略推斷，的確如此，地球不是中心！當(dāng)然這一推理并不嚴(yán)謹(jǐn)，但這是日心說最早的“可視化”證據(jù)，仍具有非常重要的意義。在那個時期，破除一些迷信（如相信完美的月球）是彌足珍貴的。

月球1：250萬全月地質(zhì)圖縮略圖。 圖片|中國科學(xué)院官網(wǎng)

月球上也有人嗎？

伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察了月球表面的形態(tài)，并認(rèn)為月球和地球是相似的。這不禁讓人聯(lián)想，月球上是否也有人的存在？對于當(dāng)時的西方人來說，這種聯(lián)想其實是非常自然的，因為傳統(tǒng)上他們就認(rèn)為，在天國的星球上面，包括月球、火星、金星甚至太陽上都是有人生存的。

伽利略使用望遠(yuǎn)鏡在月球上看到了和地球上相似的山，那也應(yīng)該可以看到流動的河流、洶涌的海洋、浮動的云彩甚至噴發(fā)的火山、城市的燈光等。他們最先找到的月球上的“海洋”，就是月球上的暗色部分，肉眼可見，而且在望遠(yuǎn)鏡的視野中表面也比較平整，這部分應(yīng)該就是海洋了。因此，早期的天文學(xué)家就把月球上環(huán)形山內(nèi)部平整的暗色區(qū)域命名為月海。這一錯誤的稱呼影響非常深遠(yuǎn)，沿用至今，比如最大的撞擊坑稱為風(fēng)暴洋，還有靜海、雨海等。

很多科幻小說家在他們的小說中設(shè)想了各種月球人的存在。比如發(fā)現(xiàn)行星運行三定律的偉大天文學(xué)家開普勒就在他1611年撰寫的科幻小說《夢》（正式出版于1634年）中，講述了主人公來往于月球的故事，也描繪了月球人的生活。

18世紀(jì)末，德國的天文學(xué)家施羅特非常詳盡地研究了月表的形態(tài)，繪制了很多精美的圖片，但卻錯誤地解釋了他的觀測結(jié)果。比如他認(rèn)為在月球的極地地區(qū)泛亮光的地方是暮光，甚至宣稱找到了月球人的城市、商業(yè)中心甚至農(nóng)場。當(dāng)時的很多科學(xué)家也熱衷于尋找月球上的大氣，比如18世紀(jì)偉大的數(shù)學(xué)家歐拉曾計算了月球上的大氣密度相當(dāng)于地球上的二百分之一。

其實在伽利略觀察到環(huán)形山后不久，也有一批科學(xué)家注意到了月球其實和地球不完全一樣。比如在伽利略出版了他的觀察結(jié)果50多年后，法國天文學(xué)家奧祖就提出，在月球上其實觀察不到四季的變化，看不到飄浮的云彩，看不到海洋、河流，也看不到地球上常見的火山噴發(fā)、山火等。可惜的是，他的觀點并沒有廣泛傳播，相信月球上有人仍舊是主流。

直到1834—1837年間，德國天文學(xué)家比爾和馬德勒出版了更為詳盡的月表圖像。根據(jù)觀察結(jié)果，他們認(rèn)為月球上沒有大氣，沒有水，與地球不同，即使有生命，應(yīng)該也與地球上的生命形式大不相同。馬德勒提出，月球并不是地球的“復(fù)制版”。伽利略證明了天國的月球并不神圣，而馬德勒則讓人意識到月球（以及其他行星）并不一定和地球完全一樣，月球上不一定有人生存。

2019年1月11日，“玉兔二號”巡視器在月球上。

探究環(huán)形山起源

月球上最顯著的特征就是其表面密密麻麻、大大小小的圓形大坑和環(huán)形山。我們現(xiàn)在知道它們是隕石撞擊形成的，但早期科學(xué)家的觀點并非如此。因為當(dāng)時的科學(xué)界并未認(rèn)識到隕石這一“天外來客”的存在，他們無法想象天上可以掉石頭，且能撞出一個大坑。

當(dāng)時天文學(xué)家大多認(rèn)為月球上的環(huán)形山是火山造成的，因為他們知道地球上火山口的形狀也大多是圓形的，中間是個凹陷，比如我國著名的長白山天池。但是，月球環(huán)形山和地球火山口之間一個非常重要的差別卻被他們忽略掉了，即地球上的火山口基本都出現(xiàn)在高山上，而月球上的環(huán)形山卻出現(xiàn)在地勢非常平坦的地方，這是火山成因說無法解釋的。即便存在如此大的缺陷，在伽利略之后一直到阿波羅計劃把人送上月球的前夕（即上世紀(jì)60年代），環(huán)形山的火山成因說一直占據(jù)科學(xué)界的主流。

環(huán)形山撞擊成因理論的確立，經(jīng)歷了幾個關(guān)鍵的階段。第一個階段是對隕石來源的認(rèn)識。1794年，德國物理學(xué)家克拉德尼在一個小冊子中提出隕石來自外太空的猜想;1803年4月26日，在法國諾曼底附近，很多人目擊了一次隕石墜落事件，科學(xué)家進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查和研究，這才最終確定隕石就是來自外太空。第二個階段是對地球上隕石坑的認(rèn)識。雖然科學(xué)家認(rèn)識到了隕石源自太空，但對它們是否可以在地表撞出隕石坑其實一直持懷疑態(tài)度，關(guān)鍵在于一些被認(rèn)作隕石坑的地方找不到隕石。在1906年，美國地質(zhì)學(xué)家巴林杰在美國亞利桑那州的一個隕石坑附近發(fā)現(xiàn)了鐵鎳合金隕石，最終確定了這個大坑就是隕石撞擊形成的。這是世界上第一個被確認(rèn)的隕石坑。第三個階段來自對隕石撞擊效果的認(rèn)識。在早期的認(rèn)識中，隕石的撞擊是純機械式的，即多大的隕石撞出多大的坑。后來，這種認(rèn)識發(fā)生了變化。1916年，蘇聯(lián)天文學(xué)家奧皮克認(rèn)為隕石的速度是非?？斓模谧矒舻孛娴囊凰查g會產(chǎn)生劇烈的爆炸，形成的撞擊坑遠(yuǎn)大于隕石自身。

月球的近地面（左：面向地球）和遠(yuǎn)地面（右：背向地球）。

認(rèn)識月球的巨大飛躍

在上世紀(jì)60年代后，美國、蘇聯(lián)發(fā)射了多個探測器進(jìn)入月球軌道或降落月表，阿波羅計劃甚至把人送上月球并采樣返回。通過對這些探測計劃獲取的影像和樣品的研究，我們對月球的認(rèn)識水平發(fā)生了巨大的飛躍。

大撞擊理論認(rèn)為，月球起源于一次大撞擊事件，一個火星大小的星體在45億年以前撞上了原始地球，濺射出的物質(zhì)在地球軌道上形成了月球。在月球形成之初，太陽系中仍舊有許多小星體經(jīng)常撞擊月球，形成很多大大小小的隕石坑。有些大的撞擊深度可達(dá)幾十公里，撞擊后來自月球深部的巖漿就可能從這里逸出月表，形成填充整個隕石坑的廣闊玄武巖低洼平原。而被撞擊較輕的地方，則仍保留了原有的斜長巖月殼，稱為高地。玄武巖對太陽光的吸收較強，看起來較暗，而斜長巖的高地能反射較多的太陽光，看起來比較亮，這樣就形成了我們看到的月球上明暗交生的圖案。

月球地質(zhì)圖系統(tǒng)表達(dá)了月殼表面地層、構(gòu)造、巖性和年代學(xué)等方面的綜合地質(zhì)信息，反映了月球巖漿作用、撞擊事件、火山活動等演化過程。原有的月球地質(zhì)圖主要由美國地質(zhì)調(diào)查局基于阿波羅時代的探月成果編制而成。2012年前后，經(jīng)過“嫦娥一號”和“嫦娥二號”的探測與研究積累，我國逐漸具備了開展月球全月地質(zhì)圖編研的條件和基礎(chǔ)。中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所聯(lián)合國內(nèi)多所高校的研究人員，以嫦娥工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國際上其他探月工程獲得的數(shù)據(jù)和成果，發(fā)布了全球首幅1∶250萬全月地質(zhì)圖。

在新編制的月球地質(zhì)圖中，基于對月球動力學(xué)演化過程的認(rèn)識更新了月球地質(zhì)年表，采用“三宙六紀(jì)”的劃分方案將月面歷史分為三個宙——冥月宙、古月宙和新月宙。該地質(zhì)圖表達(dá)的要素主要包括：12341個撞擊坑、81個撞擊盆地、17種巖石類型、14類構(gòu)造等，綜合表達(dá)了月球地質(zhì)和演化信息。

可以說，到了今天，人類對月球的認(rèn)識已經(jīng)非常全面了。

◎ 來源|北京日報