月球暗面真的暗嗎？丨中國航天日

我國今年將分兩次實施發射嫦娥四號任務。計劃在上半年先往地月拉格朗日2點發射一顆中繼衛星。中繼衛星是實施嫦娥四號任務的前提，關係到整個任務的成敗。中繼衛星完成在軌測試後，計劃在下半年發射嫦娥四號，讓它降落在月球背面南極附近的艾特肯盆地。還將在嫦娥四號任務的中繼星上搭載兩顆小衛星，做射電干涉試驗，探測宇宙「黑暗時代」。那麼，月球暗面真的暗嗎？相信你能在下面的科學原理中找到答案。

月球背面之所以顯得神秘，原因在於我們無法從地球上直接觀測到月球背面。由於月球的天平動，月盤邊緣區域有時候會露出一點點側背。總體上，從地球上可以觀測到整個月球表面的59%。迄今為止，還沒有航天器登陸過月球背面，但科學家並不缺乏月球背面的探測數據。對天文學研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠天體發出的射電輻射，是研究天體(包括太陽、行星及太陽系外天體)的重要手段，稱為射電觀測。由於這些天體的距離遙遠，電磁信號十分微弱，在地球上，日常生產生活的電磁環境會對射電天文觀測產生了顯著干擾。所以天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區，監聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號，因而可以監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，為研究恆星起源和星雲演化提供重要資料。

月球這種規律稱為潮汐鎖定（或同步自轉、受俘自轉），發生在重力梯度使天體永遠以同一面對著另一個天體，即月球永遠以同一面朝向著地球。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈要花上繞著同伴公轉一圈相同的時間。這種同步自轉導致一個半球固定不變的朝向夥伴。月球的自轉和公轉周期大約都是4星期，因此無論何時從地球觀察月球，都能看見同一面的半球。直到1959年，從前蘇聯的太空船月球3號傳送回來的照片，才完整的看見月球背面。

儘管月球的自轉和公轉完全被鎖定，但是由於天平動和視差，從地球重複的觀測，仍可以看見月球總表面的大約59%。天平動主要的成因是月球軌道的離心率造成的軌道速度變化：使地球的觀測者在周場上可以多觀測到約6°。視差是幾何學的效果：是在地球表面上相對於地月中心聯線的偏移量，而因為這個關係，使月球在我們的地平線時，可以多觀察到月球表面的一點邊緣 (大約1°)。

月球天平動，指的是地面觀測者所觀測到的月球可見面上下左右小幅度的擺動，由於天平動效應，使觀測者能看到月面是59%，其中18%時多時少。

因月球運動和自轉軸指向而造成的天平動，又稱光學天平動或幾何天平動;因月球實際擺動形成的天平動則稱物理天平動。光學天平動分為三種:

1、經度天平動。月球公轉軌道為一橢圓，公轉速度不均勻，而月球自轉速度卻是均勻的，所以月面每月(近點月)在偏離中心位置大約7054『而東西擺動。

2、緯度天平動。月球自轉軸不與其軌道面垂直，因此在其公轉過程中，月球自轉軸輪流朝向地球，形成月面每月(交點月)偏離中心位置最大約6051『而上下俯仰。

3、視差天平動。由於視差的原因，地面觀測者在月出、月沒時，各能多看到月面東邊緣外側和西邊緣外側約10的部分區域。月球以很小的振蕩來回擺動，稱物理天平動，約2 "。

我國古代地理著作《山海經》中提到潮汐與月球的關係，東漢時期王充在他所著的《論衡》一書中則明確指出：「濤之起也，隨月升衰」。但是直到牛頓發現了萬有引力定律，拉普拉斯才從數學上證明潮汐現象確實是由太陽和月亮的引力，主要是月亮的引力造成的。

在我國古代，把發生在白晝的海水漲落稱為「潮」；把發生在夜間的海水漲落稱為「汐」，合稱「潮汐」。我國古代的先民已察覺到潮汐同月球有關係，因而古語曰：「濤之起也，隨月盛衰」。關於潮汐現象的形成原因，唐朝寶應、大曆年間的天文學家竇叔蒙對此作了詳細的解釋。竇叔蒙自幼生活在潮汐現象頻繁發生的浙江省東部地區，面對波濤洶湧的大海，他心裡總升騰起一種急於探求其中奧妙的強烈慾望。他幾乎是每天習慣性地在固定時間出現在海灘上，盯著潮起潮落的海水冥思苦想。長期的觀察實踐和濃厚的求知興趣，更加之對前人資料的消化吸收，終於使他有所發現、有所收穫，系統總結後寫成了《海濤志》一書。

月球的引潮力不僅會在地球上產生海潮，還會引起大氣潮。但是大氣潮遠沒有海潮這樣驚天動地，氣勢磅礴。又因為我們身在其中，所以是很難察覺的。除此之外，引潮力還會使地球的本體，包括地表（大陸和洋底以下各部分）產生潮汐，這種潮汐稱為固體潮，固體潮引起地表的起伏很小，只有用精密的儀器才能測出來，這可能對地球的引力場有細微影響。地球內部有一部分是液態的，因此那裡也會產生潮汐，有人認為地球內部的潮汐是誘發地震的原因之一。

如果追溯人類第一次直接看到月球背面，那還是在1959年10月4日，「月球3號」探測器發射升空，開始飛往月球。此次，它前往月球的主要任務是揭開月球背面的神秘面紗。

「月球3號」與之前月球1號、月球2號兩個探測器大不相同，比它們更重，並且設計更加巧妙，採用圓柱形的外形，首次攜帶了兩台焦距不同的照相機，而且還使用了太陽能電池，同時採用了氣體噴嘴控制姿態。

為了完成既定任務，科研人員對發射時間和飛行軌道做了精心安排，沒有直接快速飛向月球，而是在經過較長時間的飛行之後緩慢地繞到月球背面，在距離月球大約7000米處經過。當它繞過月球背面時，在地球上看到的是「新月」，太陽恰好在「月球3號」背面，照亮了遠離地球一側的月面，使得「月球3號」拍攝了人類不曾看到的月球背面圖片。

在通過月球背面的40分鐘之內，兩個光學相機拍攝了29張照片，其中17張照片在飛行途中完成自動沖印，然後通過電視掃面轉換成電視信號，再通過無線通訊裝置傳送回地面。雖然最後得到的照片解析度很低，而且只覆蓋了月球背面70%的區域，但是卻記錄了人類對月球背面你的第一次觀察，展現了人類以前從未看到過的景象。

通過分析「月球3號」傳回的月球背面圖片表明，月球背面主要是高地和山脈，大面積的月海只有兩個，在照片上顯示為兩個黑暗的月球表面陰暗區。而且，背面的顏色相較於正面稍紅一些。

這一結果大大加強了人們探測月球的興趣，1966年，美國「月球太空船」同樣拍攝到月球背面的照片，使得人們能夠看清月面上的那些錯落、形狀不一的圓丘。

隨著對月球背面的不斷探測，如今，科學家已經繪製成功一副比較詳細的月球背面圖，並按照國際規定給那些背面的山和「海」進行了命名。

除此之外，月球背面更為古老，保留著更為原始的狀態，具有不同於月球正面的地質構造，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。而地球經歷了多次的滄海桑田，早期地質歷史的痕迹早已消失殆盡，我們只能寄望於從月球上仍保存完好的地質記錄中挖掘地球的早期歷史。

作者：錢航

來源：中國科學院國家空間科學中心