探索月球400年

賈斌

不久前，中國科學院地球化學研究所聯合國內多所高校的研究人員，以嫦娥工程數據為基礎，結合國際上其他探月工程獲得的數據和成果，發布了全球首幅1∶250萬全月地質圖。這是多年來探月成果的總結，代表了目前我們對月表物質成分以及構造演化等性質的全面認識，也為未來月球探測和研究提供了重要參考。回顧幾百年來人類對月面的探索歷程，更能讓人感受到科學進步的不易。

大撞擊理論認為，月球起源于一次大撞擊事件，一個火星大小的星體在45億年以前撞上了原始地球，濺射出的物質在地球軌道上形成了月球。在月球形成之初，太陽系中仍舊有許多小星體經常撞擊月球，形成很多大大小小的隕石坑。

從玉兔搗藥到環形山

月球是地球的天然衛星，從人類的記憶伊始，月亮就懸在夜空中，引發人們的無限遐想。滿月之時，最吸引人的就是上面明暗交生的圖案了。在中國古代神話中，稱月球為廣寒宮，住著美麗的嫦娥，她有一只搗藥的玉兔，還有一位砍桂樹的鄰居吳剛。玉兔和桂樹就是古人根據看到的月亮表面明暗交生的圖案，想象出的美麗意象。

而在西方，根據古希臘哲學家和早期基督教的觀點，天國是完美的，位于天國的月球（以及其他星球）是一個完美的球體，表面光滑，其明暗紋路是人觀察的角度造成的。

在1609年的秋季，意大利天文學家伽利略用改進的一架望遠鏡指向了月球，并進行了多日的觀測。伽利略并非第一個用望遠鏡觀察月球的人，但卻是第一個仔細記錄和思考觀察結果的人。他發現，月球表面布滿了各種大大小小的凹坑和山脈，還有峽谷，和地球上很相似，這迥異于人們一直以來的想象。這些山往往是環形的，中間凹陷四周高聳似碗狀，伽利略稱之為環形山。

伽利略發現月球上的環形山，其意義要遠大于發現本身。當時的西方篤信地心說，即認為日月星辰都是圍繞地球旋轉的，地球是宇宙的中心。在伽利略之前，哥白尼等人已經通過天文觀測與計算，向地心說發起了挑戰，提出太陽才是中心，地球圍繞太陽轉。伽利略的觀測，破除了月球是完美的球體這一傳統認識，證明月球和地球是非常像的，地球并不特殊。那么，在地心說體系中，月球是運動的，并不特殊的地球是不是應該也是運動的？基于此，伽利略推斷，的確如此，地球不是中心！當然這一推理并不嚴謹，但這是日心說最早的“可視化”證據，仍具有非常重要的意義。在那個時期，破除一些迷信（如相信完美的月球）是彌足珍貴的。

月球1：250萬全月地質圖縮略圖。 圖片|中國科學院官網

月球上也有人嗎？

伽利略用望遠鏡觀察了月球表面的形態，并認為月球和地球是相似的。這不禁讓人聯想，月球上是否也有人的存在？對于當時的西方人來說，這種聯想其實是非常自然的，因為傳統上他們就認為，在天國的星球上面，包括月球、火星、金星甚至太陽上都是有人生存的。

伽利略使用望遠鏡在月球上看到了和地球上相似的山，那也應該可以看到流動的河流、洶涌的海洋、浮動的云彩甚至噴發的火山、城市的燈光等。他們最先找到的月球上的“海洋”，就是月球上的暗色部分，肉眼可見，而且在望遠鏡的視野中表面也比較平整，這部分應該就是海洋了。因此，早期的天文學家就把月球上環形山內部平整的暗色區域命名為月海。這一錯誤的稱呼影響非常深遠，沿用至今，比如最大的撞擊坑稱為風暴洋，還有靜海、雨海等。

很多科幻小說家在他們的小說中設想了各種月球人的存在。比如發現行星運行三定律的偉大天文學家開普勒就在他1611年撰寫的科幻小說《夢》（正式出版于1634年）中，講述了主人公來往于月球的故事，也描繪了月球人的生活。

18世紀末，德國的天文學家施羅特非常詳盡地研究了月表的形態，繪制了很多精美的圖片，但卻錯誤地解釋了他的觀測結果。比如他認為在月球的極地地區泛亮光的地方是暮光，甚至宣稱找到了月球人的城市、商業中心甚至農場。當時的很多科學家也熱衷于尋找月球上的大氣，比如18世紀偉大的數學家歐拉曾計算了月球上的大氣密度相當于地球上的二百分之一。

其實在伽利略觀察到環形山后不久，也有一批科學家注意到了月球其實和地球不完全一樣。比如在伽利略出版了他的觀察結果50多年后，法國天文學家奧祖就提出，在月球上其實觀察不到四季的變化，看不到飄浮的云彩，看不到海洋、河流，也看不到地球上常見的火山噴發、山火等。可惜的是，他的觀點并沒有廣泛傳播，相信月球上有人仍舊是主流。

直到1834—1837年間，德國天文學家比爾和馬德勒出版了更為詳盡的月表圖像。根據觀察結果，他們認為月球上沒有大氣，沒有水，與地球不同，即使有生命，應該也與地球上的生命形式大不相同。馬德勒提出，月球并不是地球的“復制版”。伽利略證明了天國的月球并不神圣，而馬德勒則讓人意識到月球（以及其他行星）并不一定和地球完全一樣，月球上不一定有人生存。

2019年1月11日，“玉兔二號”巡視器在月球上。

探究環形山起源

月球上最顯著的特征就是其表面密密麻麻、大大小小的圓形大坑和環形山。我們現在知道它們是隕石撞擊形成的，但早期科學家的觀點并非如此。因為當時的科學界并未認識到隕石這一“天外來客”的存在，他們無法想象天上可以掉石頭，且能撞出一個大坑。

當時天文學家大多認為月球上的環形山是火山造成的，因為他們知道地球上火山口的形狀也大多是圓形的，中間是個凹陷，比如我國著名的長白山天池。但是，月球環形山和地球火山口之間一個非常重要的差別卻被他們忽略掉了，即地球上的火山口基本都出現在高山上，而月球上的環形山卻出現在地勢非常平坦的地方，這是火山成因說無法解釋的。即便存在如此大的缺陷，在伽利略之后一直到阿波羅計劃把人送上月球的前夕（即上世紀60年代），環形山的火山成因說一直占據科學界的主流。

環形山撞擊成因理論的確立，經歷了幾個關鍵的階段。第一個階段是對隕石來源的認識。1794年，德國物理學家克拉德尼在一個小冊子中提出隕石來自外太空的猜想;1803年4月26日，在法國諾曼底附近，很多人目擊了一次隕石墜落事件，科學家進行了詳細的調查和研究，這才最終確定隕石就是來自外太空。第二個階段是對地球上隕石坑的認識。雖然科學家認識到了隕石源自太空，但對它們是否可以在地表撞出隕石坑其實一直持懷疑態度，關鍵在于一些被認作隕石坑的地方找不到隕石。在1906年，美國地質學家巴林杰在美國亞利桑那州的一個隕石坑附近發現了鐵鎳合金隕石，最終確定了這個大坑就是隕石撞擊形成的。這是世界上第一個被確認的隕石坑。第三個階段來自對隕石撞擊效果的認識。在早期的認識中，隕石的撞擊是純機械式的，即多大的隕石撞出多大的坑。后來，這種認識發生了變化。1916年，蘇聯天文學家奧皮克認為隕石的速度是非常快的，在撞擊地面的一瞬間會產生劇烈的爆炸，形成的撞擊坑遠大于隕石自身。

月球的近地面（左：面向地球）和遠地面（右：背向地球）。

認識月球的巨大飛躍

在上世紀60年代后，美國、蘇聯發射了多個探測器進入月球軌道或降落月表，阿波羅計劃甚至把人送上月球并采樣返回。通過對這些探測計劃獲取的影像和樣品的研究，我們對月球的認識水平發生了巨大的飛躍。

大撞擊理論認為，月球起源于一次大撞擊事件，一個火星大小的星體在45億年以前撞上了原始地球，濺射出的物質在地球軌道上形成了月球。在月球形成之初，太陽系中仍舊有許多小星體經常撞擊月球，形成很多大大小小的隕石坑。有些大的撞擊深度可達幾十公里，撞擊后來自月球深部的巖漿就可能從這里逸出月表，形成填充整個隕石坑的廣闊玄武巖低洼平原。而被撞擊較輕的地方，則仍保留了原有的斜長巖月殼，稱為高地。玄武巖對太陽光的吸收較強，看起來較暗，而斜長巖的高地能反射較多的太陽光，看起來比較亮，這樣就形成了我們看到的月球上明暗交生的圖案。

月球地質圖系統表達了月殼表面地層、構造、巖性和年代學等方面的綜合地質信息，反映了月球巖漿作用、撞擊事件、火山活動等演化過程。原有的月球地質圖主要由美國地質調查局基于阿波羅時代的探月成果編制而成。2012年前后，經過“嫦娥一號”和“嫦娥二號”的探測與研究積累，我國逐漸具備了開展月球全月地質圖編研的條件和基礎。中國科學院地球化學研究所聯合國內多所高校的研究人員，以嫦娥工程數據為基礎，結合國際上其他探月工程獲得的數據和成果，發布了全球首幅1∶250萬全月地質圖。

在新編制的月球地質圖中，基于對月球動力學演化過程的認識更新了月球地質年表，采用“三宙六紀”的劃分方案將月面歷史分為三個宙——冥月宙、古月宙和新月宙。該地質圖表達的要素主要包括：12341個撞擊坑、81個撞擊盆地、17種巖石類型、14類構造等，綜合表達了月球地質和演化信息。

可以說，到了今天，人類對月球的認識已經非常全面了。

◎ 來源|北京日報