月球探测六十年

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出品：科普中国

制作：haibaraemily

监制：中国科学院计算机网络信息中心

地球上尚未有人类诞生时，月亮就早已存在了。

人类观赏月亮，在月亮身上寄托想象和感情，这甚至可能早于人类文明本身。

古人凭肉眼观察就知道月相有固定的周期变化，知道“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”。



月相变化。来源：维基

知道月亮上有稳定的亮暗区域，知道月亮里有“仙人垂两足，桂树何团团。白兔捣药成，问言与谁餐？”这样的形状。



（左）月球正面暗色阴影区的轮廓；（右）唐代铜镜中对月宫中嫦娥桂树、玉兔蟾蜍的想象。（图片来源：维基）

望远镜的发明让人类可以比肉眼更清晰地观察到月球表面的形态，伽利略可能是第一个借助望远镜观察月球的人类。1610年，伽利略在他出版的《星际信使》一书中展示了他通过望远镜观察月球表面时绘制的月球正面粗糙不平的地貌和遍布的环形山。



（左）伽利略《星际信使》一书的标题页；（右）书中的月球正面地貌手绘图。来源：维基。

  

然而，直到探测器时代来临，人类才从真正意义上认识了那个我们最熟悉的月亮。这一切，也不过是这60年里的事儿而已。

1957年10月4日，人类第一颗人造卫星，苏联的斯普尼克1号进入太空并完成了近地轨道的环地球飞行。



（左）苏联40戈比面值的邮票，票面图案是斯普尼克1号及其轨道；（右）斯普尼克1号的复制品，现藏于美国国家航空航天博物馆。来源：维基

这不仅标志着人类正式进入太空时代，也正式拉开了美苏太空竞赛的帷幕。离我们最近的月球，当然是第一战场。

1958年，人类开始月球探测。短短的8月到12月期间，美苏竞相发射了先驱者0到3号和月球1A到1C号，均发射失败。

但到1959年，人类就已经迅速从失败中摸索到了一点门道。

1959年1月4日，苏联的月球1号第一次以相距约六千千米的距离最近飞掠月球，并首次探测到月球几乎没有磁场。

1959年9月13日，苏联的月球2号第一次接触月球表面，虽然是以一种极其惨烈的方式——撞向月球表面坠毁。

到了1959年10月6日，苏联的月球3号不仅成功飞掠月球，还传回了第一张月球背面的影像。要知道，因为月球的自转和公转周期相同（也就是被地球“潮汐锁定”），人类在此之前从来没有见过月球背面长什么样子。



（左）为纪念苏联拍到月球背面的第一张影像发行的邮票；（右）为当时传回的第一张月球背面影像，左边的暗色区域分别为危海、史密斯海、界海，下方为南海，右上为莫斯科海。来源：维基。

苏联月球2号的撞击坠毁似乎给美国提供了新的思路，因为在此期间美国一直没有找到“接近”月球表面的方案，最接近的一次也只是先驱者4号以近六万千米的距离飞掠月球而已。但大家都明白，只有飞得离月球越近，才能越清楚地看到月球表面的细节——于是就有了美国徘徊者号系列任务，以撞击月球表面坠毁为代价，来“尽可能地接近月球”，终于，1964到1965年期间，徘徊者7-9号成功拍摄并传回大量月球表面的高清照片。这些细节照片为后来美国的探测器软着陆提供了保障。



（左）徘徊者7号；（右）徘徊者7号传回的第一张月球表面高清照片。来源：NASA

1966年又是人类月球探测史上闪闪发光的一年。

1966年2月3日，苏联的月球9号成功着陆于月球正面的风暴洋，成为人类历史上第一个成功软着陆于月球表面的探测器。而在这之前，人们一度非常怀疑月球表面太过松软，任何物体落在表面都会陷进月球的土壤里去，因此无人着陆器的成功，给了后来的载人任务巨大的信心。4个月后，美国的勘测者1号也成功着陆于风暴洋。



月球9号、勘测者1号以及它们拍摄的月球表面照片。来源：NASA

1966年4月3日，苏联的月球10号成为第一颗成功进入月球轨道的探测器。同年8月14日，美国的月球轨道器1号也入轨成功。轨道器技术的成熟对月球探测以及人类所有的天体探测意义非凡，从此，拍摄到的月球表面照片再也不是稍纵即逝的惊鸿一瞥，而是轨道器在一圈一圈绕月飞行中可以稳定拍摄并传回的一种存在。同时，人类获得月球全球覆盖的影像逐渐成为可能。再往后，就是不断提高覆盖率和分辨率的事儿了。



月球轨道器1号拍摄的月球表面影像的覆盖范围。来源：NASA

在月球轨道器2-5号和着陆器探测者3号、5号、6号、7号成功探测的基础上，不断增进对月球表面了解的美国，也在不断酝酿着太空竞赛的决胜一击——载人登月。

1968年12月24日，阿波罗8号轨道器成功进入月球轨道。这是人类历史上第一次载人绕月飞行。



阿波罗8号宇航员威廉·安德斯在绕月轨道上拍摄的这张著名的“地出”。来源：NASA

1969年7月20日，阿波罗11号成功着陆于月球正面的静海——回回慢苏联一拍的美国终于首先实现了载人登陆月球的壮举。此后的阿波罗12、14、15、16、17号均成功实现了载人登月，并在月球表面完成了包括地震实验、热流探测、重力仪和激光反射阵列安装、月球岩石采样和返回等一系列直到今天都无法超越的月球实地探测——这也是人类目前为止唯一亲身探测过的地球以外的天体。



六次阿波罗载人登月着陆点和当时着陆留下的各种设备（地震实验装置、上升舱等）在目前最高分辨率的月球影像中的样子。来源：NASA / LRO

而姗姗来迟的苏联月球16号也于1970年9月20日着陆月球正面的丰富海，采集了101克月球土壤样本，并完成了人类第一次无人机采样返回。

1970年11月17日，苏联月球17号着陆成功，并释放月球车1号，这是人类第一台月球车。

但随着阿波罗载人登月的成功，美苏太空竞赛迅速进入了尾声。1972年12月11日，阿波罗17号载人登月成功，三名宇航员还在途中拍摄了著名的蓝色弹珠。这成为人类太空史上迄今为止最后一个载人登陆项目——自此，阿波罗任务在最鼎盛的时候戛然而止。1976年8月18日，苏联月球24号无人机着陆成功并完成了月球土壤的采样返回，这是此后十多年里人类最后一次月球探测项目。1977年，由于经费（主）和能量的双重原因，阿波罗任务安装的四台月震仪和一台重力仪被全部终止工作.一个时代宣告结束。

在1966到1976年这短短的10年里，人类疯狂地把19台着陆器，5台月球车，12个宇航员安全送上了月球表面。



人类目前为止所有成功的月球软着陆任务，全部位于月球正面。包括美国的勘测者号（Surveyor）系列，苏联的月球号（Luna）系列和美国的阿波罗号（Apollo）系列。而月球再一次迎来来自地球的着陆器，就已经是近40年后的嫦娥3号了。来源：维基

但这些着陆任务所获得的宝贵数据，足够接下来四十多年里人类孜孜不倦地钻研至今。

↓ 阿波罗号安装的月震仪和主动月震实验告诉了我们月球内部结构是什么样的。



（左上）阿波罗任务在月球上安置的几个月震仪，其中Apollo 11仅工作了三周就坏了，Apollo月震数据主要来自于12, 14, 15和16，Apollo 17处安置了一个重力仪（Kawamura etal.，2015）。（右上）四个月震仪观测到的月震情况，到1977年四台月震仪停止工作期间，共记录下了12558次月震（包括9次人工月震）（Nakamura et al., 1982）。（左下）目前认为的月球内部波速和密度随深度的（粗略）关系(Weberet al., 2011).（右下）月球内部结构（Wieczorek etal., 2006），近月面四个绿色点（A12/14，A15，A16）表示阿波罗号安装的四个月震仪的纬度。

↓ 阿波罗15和17号钻孔安装的热流探测仪告诉了我们月球内部的热状况是什么样的。



阿波罗15号安装的两个热流探针（probe 1和probe 2）(Langseth et al., 1972)

↓ 阿波罗号和月球号安装的激光反射棱镜让地球上的我们在此后的40多年里可以持续监测月球和地球的距离变化，以及推算与之相关的地球物理参数。例如月球正在以3.8 厘米/年的速度远离地球，这就是激光反射棱镜告诉我们的。



（左）人类迄今为止安装在月球上的所有激光反射棱镜，目前只有美国的阿波罗11、14、15和苏联的月球21号安装的共4个棱镜还在工作中；（右）阿波罗14号在月球表面安装的激光反射棱镜。来源：NASA

↓ 阿波罗号和月球号采样返回的月球岩石和土壤样本告诉了我们月球浅表层的物质中含有那些成分，以及各种矿物的性质、形态、元素含量等特征是什么样的。





阿波罗11和12号带回的月球玄武岩在偏光显微镜下的照片。来源：NASA/JSC

↓ 这些岩石和土壤样品更是让我们可以通过同位素定年来测量月球不同区域的形成年代。也是从对月球岩石样品的定年中，人们最早发现了内太阳系晚期大撞击（LHB）的线索（但LHB是否确实存在，是否确实是一个短期的骤增，依然有很大争议）。



（左）阿波罗号和月球号样品显示的几个着陆区的绝对年龄，来源：Stöffleret al.(2006)；阿波罗样品的定年结果显示月球乃至整个内太阳系在约38.5亿年前可能经历过一波突然而剧烈的小天体撞击。来源：Koeberl (2003)

沉寂十几年后，人类终于在1990年再次瞄准月球。此后的各国的探测器发射不再以量取胜，而是改走少而精的路子，以最大限度的科学探测为目标，各各都是一顶一的厉害。

1990-2000年间人类一共发射了三次月球探测器，都比较成功。

1990年1月24日，日本的第一个月球探测器飞天号发射成功。飞天号在成功飞掠月球、但释放月球轨道器羽衣号失败后，通过空气制动和轨道调整，成功进入月球轨道并最后撞击月球表面坠毁。这是美苏之外其他国家的第一次探月尝试。

1994年2月19日，美国克莱门汀号轨道器成功进入月球轨道。这个高能的探测器携带了五个科学仪器：紫外/可见光相机（UVVIS）、近红外CCD相机（VIR）、激光高度计（LIDAR）、高分辨率相机和带电粒子望远镜。这些科学仪器在各个维度上加深了人们对月球的认识。

↓ 克莱门汀的紫外/可见光相机和近红外CCD相机告诉我们月球表面铁元素和钛元素的丰度分布（NASA/LPI)





↓ 克莱门汀的激光高度计绘制了月球全球地形图 （颜色体现的是去掉月球平均半径之后的高度差）(NASA/LPI)



↓克莱门汀的紫外/可见光相机拍摄的月球全球反照率拼接照片（NASA/LPI）



1998年1月11日进入月球轨道的美国月球探勘者号轨道器也一样硕果累累。

↓月球探勘者号的伽马射线光谱仪（GRS）获得的钍元素丰度分布图(Jolliff et al., 2000)



↓月球探勘者号的磁力计和电子反射仪（MAG/ER）获得的月球磁场分布图(NASA)



↓ 月球探勘者号的中子光谱仪（NS）估算的月球南北极区水冰分布图（越蓝表示越多，越红表示越少）(Feldman et al. ,1998)



↓ 月球探勘者号通过多普勒跟踪数据推算月球全球重力场分布，红色表示正异常，蓝色表示负异常。因为轨道器飞到背面就无法实时跟踪了，所以背面几乎是条带噪声（来源：维基）。



也就是说，直到1998年，人类探月四十年后，我们还是无法直接测量月球背面的重力信息。这个问题直到2007年日本的月神1号探测器采用了一颗中继卫星才得以解决。再到2011年NASA的GRAIL重力探测器，直接发射了两颗卫星一前一后编队飞行，彼此之间再也不用担心“失联”，一举把月球全球重力场测量提高了一个量级。



（左）使用中继卫星进行月球背面重力测量的日本月神1号探测器，来源：JAXA；（右）使用双星编队飞行的NASA GRAIL探测器，来源：NASA



美国GRAIL探测器获取的月球全球自由空气重力异常(NASA/JPL-Caltech/GSFC/MIT)

月神1号探测器还携带了激光高度计和地形相机，和之后NASA 2009年发射的月球勘测轨道飞行器（LRO）的激光高度计一同，为人类的月球研究提供了迄今为止最高分辨率的月球地形图。



LRO探测器上搭载的激光高度计LOLA获取的月球地形图，参考面为平均半径（来源：NASA）

2009年6月23日进入月球轨道的NASA月球勘测轨道飞行器（LRO），也是迄今为止帮助人类认识月球的一大杀器，LRO携带的高分辨率相机，可以提供局部分辨率优于1米/像素的全月拼接影像。不管是细微的地质特征，还是曾经的探测器和着陆器残骸，如今的月球对人类来说，算得上是“纤毫毕现”了。



LRO全月拼接影像。来源：NASA

21世纪的深空探测，又有两个国家加入其中，那就是中国和印度。

2007年11月，中国的首个探月任务嫦娥1号成功进入月球轨道，并完成了包括拍照、激光测高、矿物和光谱成分探测等一系列科学观测。

2008年11月，印度的首个探月任务月船1号成功进入月球轨道，并重点探测了月球的矿物和光谱成分。

此后的2010年，嫦娥1号的备份机嫦娥2号成功进入月球轨道，并在完成了计划探测任务之后意外飞掠小行星图塔蒂斯，成为第一个获取该小行星高清影像的探测器。

2013年，嫦娥3号成功着陆月球表面，并释放月球车玉兔号，这是人类继美国的阿波罗号和苏联的月球号任务的37年以来再一次成功完成着陆器和月球车的软着陆。



嫦娥3号着陆器及其拍摄的月表照片。来源：CAS / CNSA / The Science andApplication Center for Moon and Deepspace Exploration

而作为嫦娥3号的备份机，嫦娥4号着陆器将于今年（2018年）底发射并计划着陆于月球背面的南极艾肯盆地，同时释放一个月球车，这将是人类第一次尝试着软陆月球背面。

同时，为了解决位于背面的着陆器和月球车与地球基站的通讯难题，我国已于昨天（5月21日）预先发射一颗中继卫星“鹊桥号”前往环地月拉格朗日L2点轨道。这将是人类第一颗位于地月拉格朗日L2点附近轨道的通讯中继卫星。



新世纪的探月舞台，将继续是各国合作和竞争主战场之一。

作为星辰大海的第一站，人类探索月球的征程，不会停止。

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关于作者：灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究。更多精彩，欢迎关注公众号~

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本文感谢知友 @鸑鷟鹓鶵对本文的审稿和内容提升所做的帮助。


参考文献

Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P.Lognonné (2015), Lunar SurfaceGravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismicinformation on the Moon. J. Geophys. Res. Planets, 120, 343–358. doi: 10.1002/2014JE004724.

Nakamura, Y., Latham, G. V., & Dorman, H.J. (1982). Apollo lunar seismic experiment—Final summary. Journal ofGeophysical Research: Solid Earth, 87(S01).

Weber, R., C., Lin, P., Y., Garnero, E., J.,Williams, Q., Lognonné,P., (2011) Seismic Detection of the Lunar Core. Science 331, 309. DOI:10.1126/science.1199375

Wieczorek, M.A.,B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P. Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K.Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J.Gillis, B.

Langseth, M. G., Clark, S. P., Chute, J. L.,Keihm, S. J., & Wechsler, A. E. (1972). The Apollo 15 lunar heat-flowmeasurement. The Moon, 4(3-4), 390-410.

Stöffler, D.,Ryder, G., Ivanov, B. A., Artemieva, N. A., Cintala, M. J., & Grieve, R. A.(2006). Cratering history and lunar chronology. Reviews in Mineralogy andGeochemistry, 60(1), 519-596.

Koeberl, C. (2003). The Late Heavy Bombardmentin the Inner Solar System: Is there any Connection to Kuiper Belt Objects?Earth, Moon, and Planets, 92(1-4), 79-87.

Jolliff, B. L., Gillis, J. J., Haskin, L. A.,Korotev, R. L., & Wieczorek, M. A. (2000). Major lunar crustal terranes:Surface expressions and crust‐mantle origins. Journal of GeophysicalResearch: Planets, 105(E2), 4197-4216.

Feldman, W. C., Maurice, S., Binder, A. B.,Barraclough, B. L., Elphic, R. C., & Lawrence, D. J. (1998). Fluxes of fastand epithermal neutrons from Lunar Prospector: Evidence for water ice at thelunar poles. Science, 281(5382), 1496-1500.

吴伟仁,王琼,唐玉华,于国斌,刘继忠,& 张玮等.(2017). "嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报, 4(2),111-117.

https://www.nasa.gov/feature/nasas-exploration-campaign-back-to-the-moon-and-on-to-mars

http://www.spaceflightinsider.com/missions/solar-system/lunar-reconnaissance-orbiter-photographs-apollo-landing-sites/

https://www.lpi.usra.edu/lunar/missions/clementine/images/.



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