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”），月球的公轉周期與自轉周期相同，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”，事實上，月球的背面和正面都會輪番被陽光照射到。

盡管自1959年蘇聯的月球3號傳回了第一張月球背面的影像以來，人類已經派出上百個探測器，其中許多軌道器在環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”了個遍，但著陸探測又是另外一回事了。

潮汐鎖定示意圖

自1958年開始嘗試探索月球以來，人類和無人探測器已經成功著陸月球數十次，總計有20臺著陸器、6臺月球車、12位航天員安全登陸過月球表面，其中包括我國2013年12月成功著陸的嫦娥三號著陸器和玉兔號月球車。然而，這些著陸任務全部都位于月球正面——可以說，月球背面的著陸探測在人類航天史上仍是空白。

為紀念蘇聯拍到月球背面的第一張影像發行的郵票;當時傳回的第一張月球背面影像，左邊的暗色區域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海

前路險阻，“鵲橋”先行

與正面著陸相比，月背著陸要困難許多，但最關鍵的一點是通信障礙。由于被地球潮汐鎖定，月球背面的探測器無法和地球直接通信。這也是之前美國和蘇聯數個月球著陸任務都安排在月球正面的一大原因。

為了配合嫦娥四號挑戰月背著陸，我國在2018年5月21日率先發射了一枚通信中繼衛星——“鵲橋”，作為接下來發射的嫦娥四號與地球進行通信的“橋梁”。2018年6月14日，“鵲橋”順利抵達預定的地月拉格朗日L2暈軌道（halo軌道）。

拉格朗日點分布示意圖

拉格朗日點是兩個天體的引力平衡點，兩個天體的周邊會有5個這樣的點（L1～L5）。在這些點上，兩個天體的引力綜合影響達到平衡，其中L2點就是地月連線上遠離地球的那個點。處于拉格朗日點附近的探測器，可以始終保持相對于兩個天體幾乎靜止的狀態，這也就意味著在地月L2點附近，探測器能夠同時與地球和月球保持穩定的通信。除此之外，在地月L2點附近，探測器不僅可以獲得更多的光照（太陽能），而且維持軌道所需的能量更小。鑒于此處的諸多優勢，科學家們決定將“鵲橋”搭建在這里。

困難總是與機遇并存，由于沒有地球大氣層的干擾，所以月球背面具備得天獨厚的天文觀測環境，嫦娥四號也會充分利用月球背面的觀測優勢，展開它那充滿未知和驚喜的探測之旅。

鵲橋中繼衛星運行示意圖

嫦娥四號的“落腳點”

月球背面面積寬廣，嫦娥四號的落腳點最終選在了南極-艾特肯盆地，這是月球背面南半球的一個巨型隕石坑。人們對南極-艾特肯盆地的認識，貫穿了人類幾十年的月球探測史。

早在20世紀60年代初，天文觀測者就已經注意到月球背面南半球很可能存在一個大型盆地，但直到1968年蘇聯的探測器6號傳回了這一區域的照片，人們才最終確定此盆地的存在。

南極-艾特肯撞擊坑

1994年，通過克萊門汀號探測器的探測，人們才從地形數據中真正認識到南極-艾特肯盆地的輪廓，并且發現這里富集更多含鐵礦物。1998年，月球勘探者號獲取的礦物成分分布數據又告訴我們，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-艾特肯盆地其實并不是正圓形，而是一個橢圓形。從盆地的形態可以判斷出，當年撞出南極-艾特肯盆地的那個小天體是以一個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，但并不表示這個盆地的中心位于南極，實際上此處距離月球南極還有一段距離?？茖W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這個盆地進行聯合命名的。

選擇在南極-艾特肯盆地著陸，是因為這里獨特的環境對于我們認識月球具有特殊意義，還因為這里獨特的地理環境。首先，南極-艾特肯盆地是太陽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系中的超大型撞擊事件。其次，這里深度達13千米，是月球上最深的撞擊盆地。這意味著當年的撞擊事件很可能撞出了月殼深處甚至月幔中的物質，這些物質也許會成為我們研究月球內部成分的鑰匙。最后，據估計南極一艾特肯盆地形成于月球的前酒海紀（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45億年的漫長歷史，南極-艾特肯盆地就是一個至關重要的突破口。

月球內部結構圖

月球上的亮色區域主要是斜長石（斜長巖90%以上的成分是斜長石）的顏色

不過殼和幔的成分又有什么區別呢？硅酸鹽都是什么鹽？具體到每顆巖質天體，差別其實很大。舉個例子，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巖組成——這也是我們如今在月球上看到的亮色高地的顏色。對于月殼的組成成分，科學家們可以通過地基望遠鏡和探測器給月球表面拍照，或者使用各種遙感儀器來粗略推測。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，何況是遙遠的月球……

天文地質學家認為：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晶出來的物質之一應該是橄欖石，因此月幔里很可能存在不少橄欖石。如何驗證這一假設呢？

首先，月海玄武巖能給出一些參考。月海玄武巖被認為來自月幔，因為相比于亮色的高地物質（斜長石），月海玄武巖有著較高的橄欖石和輝石成分，呈現出鎂鐵質的暗黑色——這就是如今我們在月球上看到的那些被稱為“月?！眳^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晶形成的“原生”橄欖石，因為這些玄武巖是后來來自月幔的巖漿隨著火山活動上涌到月表之后，再冷卻結晶固化形成的，而且月幔物質在上涌的過程中本身也會不斷演化。所以，最終形成的月海玄武巖只能幫助我們推測月幔成分，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——撞擊規模越大，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）的原生月幔物質挖掘出來。2011年，NASA發射的“圣杯號”月球探測器獲得的高精度月球全球重力場數，就幫助科學家估算出了月殼的厚度分布。結果顯示，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，把上月幔物質挖掘和拋射到了月球表面。遙感數據也證實在月球上的大型撞擊盆地附近發現了一些富橄欖石區域，這些橄欖石很可能來自月幔。

“圣杯”月球探測器重力數據估算的月殼厚度，圖中顯示南極艾特肯盆地一帶也是月殼比較薄的區域之一

但這些暴露出來的富橄欖石物質，相比于月球早期密集的撞擊和大型撞擊盆地的規模來說，好像還是少了點兒。如果上月幔真的富含橄欖石，那么橄欖石似乎應該遍布月球表面，但至少在嫦娥四號著陸區所在的南極一艾特肯盆地內部，之前的所有研究中都沒有發現過橄欖石的痕跡。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，嫦娥四號探測器給出了新的線索。

玉兔二號開始工作后，在第1個月晝里，便利用紅外成像光譜儀對沿途兩處探測點（0015和0016）的土壤進行了光譜探測。最終探測數據表明：嫦娥四號在著陸區獲取的光譜數據，與位于雨海中的嫦娥三號著陸區光譜明顯不同。嫦娥四號著陸區礦物的光譜吸收特征顯示：著陸區一帶的鎂鐵質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?？傊?，這些物質可能原本來自上月幔，最終經由芬森撞擊坑的挖掘拋射過程飛到了嫦娥四號著陸區一帶。如果是這樣的話，很可能上月幔也會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”，而是在后來撞擊產生的熔融物質中分異結晶出來的產物。

轉眼一年過去了，嫦娥四號和玉兔二號已經獲得了豐碩的科學成果。相信勤勞勇敢的玉兔二號，在未來還會走得更遠，看更多的月背風景，探索關于月球背面更多的奧秘。