為月球做一次“透視”

2011年末，月球迎來了來自地球的一對姊妹探測器——“圣杯A”和“圣杯B”。它們原名“重力回溯及內部結構實驗室”，其縮寫GRAIL有“圣杯”之意，后又在征名活動中被命名為“埃布”和“弗洛”，分別為“退潮”和“漲潮”之意。幾乎整整一年后，也就是人們正在忙著迎接2013年新年的時候，人們重新聽到了這對月球姊妹探測器的最新消息：它們雙雙在地面控制下撞擊了月球靠近北極的一座山峰。它們完成了什么使命？在這一年的時間里，這兩艘探測器又在月球軌道上經歷了什么？

月球的秘密

人們觀察月球就會發現，月球的正反兩面是明顯不同的。正面，亦即面對地球的一面比較平坦；而反面，即背對地球的一面則山巒起伏，坑洼不平。探測表明，月球兩面的礦物分布并不均勻，正面礦藏豐富，含有大量的鉀、磷和稀土等元素，反面的礦藏則相對貧乏。為什么月球長得如此怪異？正反兩面的月貌為什么如此不同？這與它的起源和演化又有著怎樣的關系呢？

關于月球的起源迄今為止主要有四種說法。“同源說”認為，地球和月球具有相同的起源，都是由太陽系星云吸積而成的；“分裂說”認為，月球是由一部分被地球甩出去的物質形成的；“俘獲說”認為，月球來自另一個地方，是被地球“俘獲”的；“大碰撞說”認為，45億年前，當時地球與另外一顆原始行星發生了碰撞，一些碎片被拋入太空，從而形成了月球。

現在一般認為“大碰撞說”最合理地解釋了月球的起源，因為“大碰撞說”得到很多證據支持。人們還發現月球上的某些元素的缺失比地球上的更多，這可能是極度的高溫造成的，而只有“大碰撞”理論才可能解釋這樣的高溫。科學家也用電腦模擬的方式檢測了“大碰撞說”的合理性，結果表明，假若一個火星大小的天體傾斜著撞向地球，確實能夠形成現在的月亮。

但此前的“大碰撞說”并沒有解釋為什么月球的正反兩面會出現明顯的不同。2011年8月，有科學家提出了新的理論以解釋月球的“不對稱性”，這個理論認為，當時的撞擊產生了一大一小兩個月球，這兩個月球一起圍繞地球旋轉了大約幾千萬年，直到它們也撞在了一起，并融合成了我們現在看到的月球。科學家通過計算機模擬重現了當時的情形：小月球傾斜著扎進了大月球中，把大部分物質留在了月球的背面，形成了起伏不平的月貌，這就是我們今天看到的月球背面的高地。撞擊同時又壓扁了位于月面之下的層面，將大量的鉀、磷和稀土等元素推向了月球的正面，造成了今天月球礦物分布的不均勻。“雙月理論”很好地解釋了月球的正反兩面顯示出的不同，但這種理論只是一個假說，科學家們也并不是都同意，所以需要尋找證據上的支持。

從月球重力場中尋找答案

如何尋找正確的答案呢？有一個辦法是到月球的背面去采集巖石，尋找撞擊的證據，這需要一次復雜的探月任務才能實現。還有一個辦法則是了解月球的內部結構和物質組成，然后將了解到的信息聯系月面的地形地貌進行分析，這樣的工作或許能讓科學家們推測45億年前究竟發生了什么，那次傳說中的碰撞是否真的產生了現在的月球，它后來又經歷了怎樣的演化。這有點像為月球做一次“透視”。鑒于實際的情況，科學家們選擇了“透視”，這就是“圣杯”姊妹探測器造訪月球的目的。

“圣杯”為月球做“透視”的方法是探測月球的重力場。一顆星球的密度和物質分布會反映到它的重力場上來。重力場對飛過它附近的物體會產生不同的牽引力，物質密度高，則重力場的牽引力便大，反之牽引力就小，所以探測星球重力場的變化就能幫助科學家們間接地推測星球內部的物質分布。科學家們曾用這種方法研究過包括地球在內的其他星球，例如一個名為GOCE的計劃就是針對地球進行的，它實際上是一次精確“稱量”地球的行動，那次計劃使科學家們深入了解了地球的內部結構，并為海洋環流和氣候研究提供了重要的參考數據。

“圣杯”對月球的重力場探測將是有史以來精度最高的一次。在“埃布”和“弗洛”繞月運行的時候，它們之間的距離會隨著月球重力牽引力的變化而發生微小的變化，這種變化無法通過肉眼察覺，但探測器上的儀器卻能探測到。根據探測到的數據，地面科學家可以繪出月球重力場的詳細分布圖，接下來，再將重力場分布圖與月貌特征結合起來進行分析，這樣，科學家們就可以推算出月球從外殼到內核的物質分布情況了。由此看來，這就好像用重力探測的方法“透視”了月球的內部，有了這樣的一次“重力透視”，人們便可以據此推測月球的演化過程，破解月球的起源之謎了。

期待更多新的發現

兩艘探測器于2012年3月運行到了月球上空55千米處，它們以一定的間距一前一后地繞月運行。在3個月中收集了3次覆蓋整個月表的數據，從而完成了主要任務。接下來又進行了擴展任務，即把軌道位置下降了一半，更“清晰”地觀測月球重力場，獲得更多有關月球演變的重要數據。

當“圣杯”的探測任務結束之時，“埃布”和“弗洛”以最后的一撞完成了它們的月球使命。科學家們表示，僅從目前的分析情況看，月球的確在形成后的數十億年間遭受過嚴重的撞擊，且遭受嚴重撞擊的時間比以前認為的更加靠前，這是否支持了大碰撞理論還有待進一步的分析。至于“雙月理論”，科學家們目前并不認為“圣杯”獲得的數據與之吻合，不過“雙月”的猜想并沒有因此而遭到否定，人們期待接下來的數據分析能獲得更多重要發現。

科學家們還指出，了解月球的重力場并不僅僅是為了印證“月球起源”的猜想，它同時也將為未來的探月任務提供必要前期準備。在未來的探月任務中，精確的著陸和穩定的繞月運行都是必須的，而重力場則會對太空船的運行施以一定的影響。除此之外，科學家們還希望這次“重力透視”能幫助他們認識星球的形成機理，這也是人類認識自然和宇宙的一項重要內容。

【責任編輯】龐 云