月球探測六十年

來自專欄 相期邈雲漢

青天有月來幾時？我今停杯一問之。

出品：科普中國 @中國科普博覽

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網路信息中心

地球上尚未有人類誕生時，月亮就早已存在了。

人類觀賞月亮，在月亮身上寄託想像和感情，這甚至可能早於人類文明本身。

古人憑肉眼觀察就知道月相有固定的周期變化，知道「人有悲歡離合，月有陰晴圓缺」。

知道月亮上有穩定的亮暗區域，知道月亮里有「仙人垂兩足，桂樹何團團。白兔搗葯成，問言與誰餐？」這樣的形狀。

望遠鏡的發明讓人類可以比肉眼更清晰地觀察到月球表面的形態，伽利略可能是第一個藉助望遠鏡觀察月球的人類。1610年，伽利略在他出版的《星際信使》一書中展示了他通過望遠鏡觀察月球表面時繪製的月球正面粗糙不平的地貌和遍布的環形山。

然而，直到探測器時代來臨，人類才從真正意義上認識了那個我們最熟悉的月亮。這一切，也不過是這60年里的事兒而已。

1957年10月4日，人類第一顆人造衛星，蘇聯的斯普尼克1號進入太空並完成了近地軌道的環地球飛行。

這不僅標誌著人類正式進入太空時代，也正式拉開了美蘇太空競賽的帷幕。離我們最近的月球，當然是第一戰場。

1958年，人類開始月球探測。短短的8月到12月期間，美蘇競相發射了先驅者0到3號和月球1A到1C號，均發射失敗。

但到1959年，人類就已經迅速從失敗中摸索到了一點門道。

1959年1月4日，蘇聯的月球1號第一次以相距約六千千米的距離最近飛掠月球，並首次探測到月球幾乎沒有磁場。

1959年9月13日，蘇聯的月球2號第一次接觸月球表面，雖然是以一種極其慘烈的方式——撞向月球表面墜毀。

到了1959年10月6日，蘇聯的月球3號不僅成功飛掠月球，還傳回了第一張月球背面的影像。要知道，因為月球的自轉和公轉周期相同（也就是被地球「潮汐鎖定」），人類在此之前從來沒有見過月球背面長什麼樣子。

蘇聯月球2號的撞擊墜毀似乎給美國提供了新的思路，因為在此期間美國一直沒有找到「接近」月球表面的方案，最接近的一次也只是先驅者4號以近六萬千米的距離飛掠月球而已。但大家都明白，只有飛得離月球越近，才能越清楚地看到月球表面的細節——於是就有了美國徘徊者號系列任務，以撞擊月球表面墜毀為代價，來「儘可能地接近月球」，終於，1964到1965年期間，徘徊者7-9號成功拍攝並傳回大量月球表面的高清照片。這些細節照片為後來美國的探測器軟著陸提供了保障。

1966年又是人類月球探測史上閃閃發光的一年。

1966年2月3日，蘇聯的月球9號成功著陸於月球正面的風暴洋，成為人類歷史上第一個成功軟著陸於月球表面的探測器。而在這之前，人們一度非常懷疑月球表面太過鬆軟，任何物體落在表面都會陷進月球的土壤里去，因此無人著陸器的成功，給了後來的載人任務巨大的信心。4個月後，美國的勘測者1號也成功著陸於風暴洋。

1966年4月3日，蘇聯的月球10號成為第一顆成功進入月球軌道的探測器。同年8月14日，美國的月球軌道器1號也入軌成功。軌道器技術的成熟對月球探測以及人類所有的天體探測意義非凡，從此，拍攝到的月球表面照片再也不是稍縱即逝的驚鴻一瞥，而是軌道器在一圈一圈繞月飛行中可以穩定拍攝並傳回的一種存在。同時，人類獲得月球全球覆蓋的影像逐漸成為可能。再往後，就是不斷提高覆蓋率和解析度的事兒了。

在月球軌道器2-5號和著陸器探測者3號、5號、6號、7號成功探測的基礎上，不斷增進對月球表面了解的美國，也在不斷醞釀著太空競賽的決勝一擊——載人登月。

1968年12月24日，阿波羅8號軌道器成功進入月球軌道。這是人類歷史上第一次載人繞月飛行。

1969年7月20日，阿波羅11號成功著陸於月球正面的靜海——回回慢蘇聯一拍的美國終於首先實現了載人登陸月球的壯舉。此後的阿波羅12、14、15、16、17號均成功實現了載人登月，並在月球表面完成了包括地震實驗、熱流探測、重力儀和激光反射陣列安裝、月球岩石採樣和返回等一系列直到今天都無法超越的月球實地探測——這也是人類目前為止唯一親身探測過的地球以外的天體。

而姍姍來遲的蘇聯月球16號也於1970年9月20日著陸月球正面的豐富海，採集了101克月球土壤樣本，並完成了人類第一次無人機採樣返回。

1970年11月17日，蘇聯月球17號著陸成功，並釋放月球車1號，這是人類第一台月球車。

但隨著阿波羅載人登月的成功，美蘇太空競賽迅速進入了尾聲。1972年12月11日，阿波羅17號載人登月成功，三名宇航員還在途中拍攝了著名的藍色彈珠。這成為人類太空史上迄今為止最後一個載人登陸項目——自此，阿波羅任務在最鼎盛的時候戛然而止。1976年8月18日，蘇聯月球24號無人機著陸成功並完成了月球土壤的採樣返回，這是此後十多年裡人類最後一次月球探測項目。1977年，由於經費（主）和能量的雙重原因，阿波羅任務安裝的四台月震儀和一台重力儀被全部終止工作。一個時代宣告結束。

在1966到1976年這短短的10年里，人類瘋狂地把19台著陸器，5台月球車，12個宇航員安全送上了月球。

但這些著陸任務所獲得的寶貴數據，足夠接下來四十多年裡人類孜孜不倦地鑽研至今。

↓ 阿波羅號安裝的月震儀和主動月震實驗告訴了我們月球內部結構是什麼樣的。

（左上）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀，其中Apollo 11僅工作了三周就壞了，Apollo月震數據主要來自於12, 14, 15和16，Apollo 17處安置了一個重力儀（Kawamura et al.，2015）。（右上）四個月震儀觀測到的月震情況，到1977年四台月震儀停止工作期間，共記錄下了12558次月震（包括9次人工月震）（Nakamura

et al., 1982）。（左下）目前認為的月球內部波速和密度隨深度的（粗略）關係(Weber

et al., 2011).（右下）月球內部結構（Wieczorek

et al., 2006），近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。

↓ 阿波羅15和17號鑽孔安裝的熱流探測儀告訴了我們月球內部的熱狀況是什麼樣的。

↓ 阿波羅號和月球號安裝的激光反射稜鏡讓地球上的我們在此後的40多年裡可以持續監測月球和地球的距離變化，以及推算與之相關的地球物理參數。例如月球正在以3.8 厘米/年的速度遠離地球，這就是激光反射稜鏡告訴我們的。

↓ 阿波羅號和月球號採樣返回的月球岩石和土壤樣本告訴了我們月球淺表層的物質中含有那些成分，以及各種礦物的性質、形態、元素含量等特徵是什麼樣的。

↓ 這些岩石和土壤樣品更是讓我們可以通過同位素定年來測量月球不同區域的形成年代。也是從對月球岩石樣品的定年中，人們最早發現了內太陽系晚期大撞擊（LHB）的線索（但LHB是否確實存在，是否確實是一個短期的驟增，依然有很大爭議）。

沉寂十幾年後，人類終於在1990年再次瞄準月球。此後的各國的探測器發射不再以量取勝，而是改走少而精的路子，以最大限度的科學探測為目標，各各都是一頂一的厲害。

1990-2000年間人類一共發射了三次月球探測器，都比較成功。

1990年1月24日，日本的第一個月球探測器飛天號發射成功。飛天號在成功飛掠月球、但釋放月球軌道器羽衣號失敗後，通過空氣制動和軌道調整，成功進入月球軌道並最後撞擊月球表面墜毀。這是美蘇之外其他國家的第一次探月嘗試。

1994年2月19日，美國克萊門汀號軌道器成功進入月球軌道。這個高能的探測器攜帶了五個科學儀器：紫外/可見光相機（UVVIS）、近紅外CCD相機（VIR）、激光高度計（LIDAR）、高解析度相機和帶電粒子望遠鏡。這些科學儀器在各個維度上加深了人們對月球的認識。

↓ 克萊門汀的紫外/可見光相機和近紅外CCD相機告訴我們月球表面鐵元素和鈦元素的丰度分布（NASA/LPI)

↓ 克萊門汀的激光高度計繪製了月球全球地形圖 （顏色體現的是去掉月球平均半徑之後的高度差）(NASA/LPI)

↓ 克萊門汀的紫外/可見光相機拍攝的月球全球反照率拼接照片（NASA/LPI）

1998年1月11日進入月球軌道的美國月球探勘者號軌道器也一樣碩果累累。

↓ 月球探勘者號的伽馬射線光譜儀（GRS）獲得的釷元素丰度分布圖 (Jolliff et al., 2000)

↓ 月球探勘者號的磁力計和電子反射儀（MAG/ER）獲得的月球磁場分布圖 (NASA)

↓ 月球探勘者號的中子光譜儀（NS）估算的月球南北極區水冰分布圖（越藍表示越多，越紅表示越少）(Feldman et al. ,1998)

↓ 月球探勘者號通過多普勒跟蹤數據推算月球全球重力場分布，紅色表示正異常，藍色表示負異常。因為軌道器飛到背面就無法實時跟蹤了，所以背面幾乎是條帶雜訊（來源：維基）。

也就是說，直到1998年，人類探月四十年後，我們還是無法直接測量月球背面的重力信息。這個問題直到2007年日本的月神1號探測器採用了一顆中繼衛星才得以解決。再到2011年NASA的GRAIL重力探測器，直接發射了兩顆衛星一前一後編隊飛行，彼此之間再也不用擔心「失聯」，一舉把月球全球重力場測量提高了一個量級。

月神1號探測器還攜帶了激光高度計和地形相機，和之後NASA 2009年發射的月球勘測軌道飛行器（LRO）的激光高度計一同，為人類的月球研究提供了迄今為止最高解析度的月球地形圖。

2009年6月23日進入月球軌道的NASA月球勘測軌道飛行器（LRO），也是迄今為止幫助人類認識月球的一大殺器，LRO攜帶的高解析度相機，可以提供局部解析度優於1米/像素的全月拼接影像。不管是細微的地質特徵，還是曾經的探測器和著陸器殘骸，如今的月球對人類來說，算得上是「纖毫畢現」。

21世紀的深空探測，又有兩個國家加入其中，那就是中國和印度。

2007年11月，中國的首個探月任務嫦娥1號成功進入月球軌道，並完成了包括拍照、激光測高、礦物和光譜成分探測等一系列科學觀測。

2008年11月，印度的首個探月任務月船1號成功進入月球軌道，並重點探測了月球的礦物和光譜成分。

此後的2010年，嫦娥1號的備份機嫦娥2號成功進入月球軌道，並在完成了計劃探測任務之後意外飛掠小行星圖塔蒂斯，成為第一個獲取該小行星高清影像的探測器。

2013年，嫦娥3號成功著陸月球表面，並釋放月球車玉兔號，這是人類繼美國的阿波羅號和蘇聯的月球號任務的37年以來再一次成功完成著陸器和月球車的軟著陸。

而作為嫦娥3號的備份機，嫦娥4號著陸器將於今年（2018年）底發射並計劃著陸於月球背面的南極艾肯盆地，同時釋放一個月球車，這將是人類第一次嘗試著軟陸月球背面。

同時，為了解決位於背面的著陸器和月球車與地球基站的通訊難題，我國已於昨天（5月21日）預先發射一顆中繼衛星「鵲橋號」前往環地月拉格朗日L2點軌道。這將是人類第一顆位於地月拉格朗日L2點附近軌道的通訊中繼衛星。

新世紀的探月舞台，將會繼續是各國合作和競爭主戰場之一。

作為星辰大海的第一站，人類探索月球的征程，不會停止。

參考

• Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P. Lognonné (2015), Lunar Surface
  Gravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic
  information 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 of Geophysical 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-flow measurement. The Moon, 4(3-4), 390-410.
• St?ffler, D., Ryder, G., Ivanov, B. A., Artemieva, N. A., Cintala, M. J., & Grieve, R. A. (2006). Cratering history and lunar chronology. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 60(1), 519-596.
• Koeberl, C. (2003). The Late Heavy Bombardment in 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 Geophysical Research: 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 fast and epithermal neutrons from Lunar
  Prospector: Evidence for water ice at the lunar poles. Science, 281(5382),
  1496-1500.
• 吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 於國斌, 劉繼忠, & 張瑋等. (2017). "嫦娥4號"月球背面軟著陸任務設計. 深空探測學報, 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/

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。