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地球的月球:起源、演化与探索基础

从月球剧烈的诞生到它出现在地球的天空中,再到60年的探索历程。

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从地球拍摄的满月照片。摄影:Gregory H. Revera/wikimedia, CC BY-SA

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月球是地球最近的、尽管不总是稳定的伴侣。几个世纪以来,人类将潮汐、生育能力、狼人和疯狂都归咎于月球——尽管大多是错误的。它是我们夜空中如此不可或缺的一部分,以至于我们甚至不给它一个正式的名字,只用一个冠词:*the* moon。当然,在许多文化中,它有过许多名字,其中一些至今仍然存在。研究月球的学问是“月球学”(selenology),这要归功于希腊女神Selene;她的罗马对应者是Luna。在中国,月亮女神是嫦娥,这个名字现在被用于中国航天局的月球任务。正是通过这些探索,我们才了解了关于月球的一切。

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一轮壮观的满月笼罩着旧金山。(摄影:spondylolithesis/Getty images)

spondylolithesis/Getty images

月球与水

人类早已将海洋与月球联系起来,通过观察就明白,即使在我们知道原因之前,月球就会影响潮汐。现在我们知道,月球的引力拉扯着地球上的水体。

这种关联也是双向的。科学家们很早就将月球上的暗区命名为*maria*——拉丁语意为“海洋”——远远早于望远镜揭示月球表面没有任何水。尽管阿波罗宇航员曾希望在地下找到水,但他们带回的所有土壤样本都表明月球是贫瘠而干燥的。

然而,月球有水的几率自此有所提高。印度的“月船一号”任务,以及后来的美国国家航空航天局(NASA)的LCROSS任务,都将探测器撞向月球,分析由此产生的尘埃云。两者都发现了惊人的水量。去年,研究人员公布了许多人长期以来的猜测:水冰可以在月球两极附近永久阴影的陨石坑中存在并隐藏着。

如果将来我们建成一个绕月空间站(这可能是我们近期最接近月球定居的方式),这些储藏的水将极其宝贵。

(摄影:插图,Jay Smith;月球两极,NASA)

插图,Jay Smith;月球两极,NASA

一个“疯子”般的起源故事

月球的历史是充满暴力的,始于其诞生之时,当时一个火星大小的天体——被称为忒伊亚(Theia)——数十亿年前撞击了年轻的地球。由此产生的碎片最终聚集形成了我们的卫星。这个起源故事的出现是因为月球岩石样本与地球样本在分子上非常相似,这意味着月球是由我们的星球形成的。但被称为撞击者理论(impactor theory)的假说表明,月球应该同时带有地球和忒伊亚的痕迹——而我们从未在那里发现任何“忒伊亚”的痕迹。这可能是因为这次撞击更像是一次擦碰,忒伊亚的大部分物质离开了该区域。

科学家们并不真正知道如何解释月球起源的这一方面,但他们确实知道月球上最大的地貌的起源。在漫长的岁月中,小行星撞击月球表面,有时会将其砸开,喷出内部的熔岩,这些熔岩冷却后形成了被称为月海的黑暗月面斑块。最古老、最大的撞击地点是南极的艾特肯盆地,它覆盖了月球背面近四分之一的区域。(与其他古老地貌一样,它也覆盖着新的陨石坑。)然而,月球正面点缀着的明亮陨石坑,是更近时期小行星撞击的结果。

(图片来源:杰伊·史密斯)

杰伊·史密斯

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月球探索的时代

几千年来,月球一直吸引着我们的注意,随着技术的进步,机器人探测器,然后是人类,开始访问这个世界——尽管在近几十年里,我们又把月球让给了机器人。这张地图显示了月球表面最显著的着陆和撞击点,以及值得注意的天体飞掠任务。

(摄影:NASA/GSFC/Arizona State University)

NASA/GSFC/Arizona State University

1. 1959年1月4日 “月球1号”(苏联) 虽然它未能成功撞击月球表面,但苏联的“月球1号”是首次成功的月球飞掠任务。

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2. 1959年9月14日 “月球2号”(苏联) 第一位接触月球表面的访客,它没有着陆设备,直接坠毁在月球表面。

3. 1959年10月6日 “月球3号”(苏联) 该探测器携带了一台相机,传回了第一张月球背面的照片,然后返回并在大气层中烧毁。

4. 1964年7月31日 “徘徊者7号”(美国) 在经历了多次失败的“先驱者”和“徘徊者”任务后,“徘徊者7号”拍摄了照片,然后坠毁在月球表面。

5. 1966年2月3日 “月球9号”(苏联) “月球9号”探测器实现了首次在月球上的软着陆。

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6. 1966年6月2日 “勘测者1号”(美国)

7. 1966年12月24日 “月球13号”(苏联)

8. 1967年4月20日 “勘测者3号”(美国)

9. 1967年9月11日 “勘测者5号”(美国)

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10. 1967年11月7日 “勘测者6号”(美国)

11. 1968年1月10日 “勘测者7号”(美国)

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12. 1968年12月24日 “阿波罗8号”(美国) 宇航员绕月飞行,成为第一批亲眼看到月球背面的人类。

13. 1969年7月20日 “阿波罗11号”(美国) 尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在月球上行走,约有5.3亿观众通过电视直播观看。

14. 1969年11月19日 “阿波罗12号”(美国)

15. 1970年9月20日 “月球16号”(苏联)

16. 1970年11月17日 “月球17号”(苏联) 此次任务包括“月球车1号”,这是第一辆月球车。它在10个月内行驶了6英里。(火星“机遇号”漫游车花了六年才完成同样的路程。)

17. 1971年2月5日 “阿波罗14号”(美国)

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18. 1971年7月30日 “阿波罗15号”(美国) 此次任务标志着人类首次在月球上驾驶车辆,即“阿波罗月球车”。

19. 1972年2月21日 “月球20号”(苏联)

21. 1972年4月20日 “阿波罗16号”(美国)

22. 1972年12月11日 “阿波罗17号”(美国) 宇航员尤金·塞尔南是最后登上月球舱的人,他至今仍是最后一个踏上月球的人类。

23. 1973年1月15日 “月球21号”(苏联) “月球车2号”着陆并在四个月内行驶了24英里,至今仍保持着最长寿命月球车的记录。

24. 1974年11月6日 “月球23号”苏联)

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25. 1976年8月18日 “月球24号”(苏联)

26. 1990年3月18日 “飞天号”(日本) 日本首次月球任务绕月飞行,研究尘埃轨迹,并开启了现代月球探索的时代。

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27. 1994年2月19日 “克莱门汀号”(美国) 此任务标志着美国重返月球轨道;它带回了月球的首张完整照片覆盖,包括其两极。

28. 2004年11月15日 SMART-1(ESA) 欧洲空间局的首次月球任务,从轨道上寻找撞击者理论的证据。

29. 2007年11月5日 “嫦娥一号”(中国) 中国首次月球任务携带了大量仪器,从轨道上研究月球的表面和成分。

30. 2008年11月14日 “月船一号”(印度) 印度首次月球任务故意将探测器撞向月球表面,以在产生的尘埃云中寻找水。

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31. 2009年10月9日 LCROSS(美国) 2009年,LCROSS探测器撞击月球表面,作为“月船一号”的后续任务,并发现了隐藏在地表下的更多水的证据。

32. 2013年12月14日 “嫦娥三号”(中国) 中国成为第三个在月球上实现可控着陆并部署月球车的国家,该月球车名为“玉兔”。

33. 2019年1月3日 “嫦娥四号”(中国) 中国进入了未知的领域,在月球背面部署了第一台着陆器和月球车(玉兔二号)。

34. 2019年4月11日 “创世纪号”(以色列) 该国首次月球着陆器在距离月球表面10英里处因发动机故障而坠毁。

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特别的月相举例

当媒体开始谈论“超级血月”时,人们常常感到困惑。但这并非全是耸人听闻——这些术语告诉我们关于月球当前状态的信息。

超级月亮(Supermoon):满月时,月球在离地球最近的位置,使其看起来比在最远、最小的时候大14%。然而,尽管炒作很热,但人眼实际上无法分辨出这种差异。

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蓝月亮(Blue moon):最初,这是一个季节中四个满月中出现的第三个满月。(三个是正常的。)在过去一个世纪里,它演变成了指在一个日历月中的第二个满月。这两种情况都比较罕见。

血月(Blood moon):月全食时,月球进入地球影子的部分。部分月食的月亮看起来只是变暗,仿佛被咬了一口。但在全食期间,地球上所有的日落和日出光线都会穿过我们的大气层,为月球被影子的表面染上色彩。

日食(Solar eclipse):这个术语不包含“月亮”一词,但它是指我们的卫星在地球和太阳之间以恰到好处的角度对齐,从而在地球表面投下阴影。与月食一样,这种现象之所以成为可能,仅仅是因为太阳和月亮在地球的天空中看起来大小相同;如果月亮更近(如曾经那样)或更远(如将来那样),就不会发生日食。

(摄影,从左上角顺时针方向:NASA/Bill Ingalls, NASA, NASA Goddard, NASA/Aubrey Gemignani)

阿波罗11号登月50周年

阿波罗计划今年正在庆祝其金禧周年。它从月球带回了数百磅的岩石和土壤样本,并留下了温度计和地震传感器。时至今日,科学家们仍然通过激光照射宇航员留在月球表面的镜子,精确测量月球的距离及其缓慢向外漂移的距离。NASA仍然是唯一将人类送上月球表面的组织。

失落的阿波罗岩石

在20世纪70年代,尼克松政府将阿波罗11号和17号的月球样本陨石的牌匾赠送给了美国的50个州和另外135个国家。一些人妥善保管了这些礼物。许多人则没有。州长和世界领导人在卸任时常常不小心弄丢了这些样本;其中许多后来在私人收藏中被找回。对剩余样本的搜寻仍在继续。

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那个我们曾想过用核弹炸月球的时代

大多数人同意,美国在1969年阿波罗宇航员登月时赢得了与苏联的太空竞赛。但在比赛的大部分时间里,美国一直处于落后状态,情况差点就截然不同了。1959年,空军提出了一项名为“月球研究飞行研究”的计划,该计划建议将一枚核武器发射到月球——不是为了科学,而是纯粹为了展示实力。为了人类和月球的福祉,政府没有继续推行该计划。

(摄影:Romolo Tavani/Shutterstock)

Romolo Tavani/Shutterstock

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