为月球做一次“透视”

2011年末，月球迎来了来自地球的一对姊妹探测器——“圣杯A”和“圣杯B”。它们原名“重力回溯及内部结构实验室”，其缩写GRAIL有“圣杯”之意，后又在征名活动中被命名为“埃布”和“弗洛”，分别为“退潮”和“涨潮”之意。几乎整整一年后，也就是人们正在忙着迎接2013年新年的时候，人们重新听到了这对月球姊妹探测器的最新消息：它们双双在地面控制下撞击了月球靠近北极的一座山峰。它们完成了什么使命？在这一年的时间里，这两艘探测器又在月球轨道上经历了什么？

　　月球的秘密

　　人们观察月球就会发现，月球的正反两面是明显不同的。正面，亦即面对地球的一面比较平坦；而反面，即背对地球的一面则山峦起伏，坑洼不平。探测表明，月球两面的矿物分布并不均匀，正面矿藏丰富，含有大量的钾、磷和稀土等元素，反面的矿藏则相对贫乏。为什么月球长得如此怪异？正反两面的月貌为什么如此不同？这与它的起源和演化又有着怎样的关系呢？

　　关于月球的起源迄今为止主要有四种说法。“同源说”认为，地球和月球具有相同的起源，都是由太阳系星云吸积而成的；“分裂说”认为，月球是由一部分被地球甩出去的物质形成的；“俘获说”认为，月球来自另一个地方，是被地球“俘获”的；“大碰撞说”认为，45亿年前，当时地球与另外一颗原始行星发生了碰撞，一些碎片被抛入太空，从而形成了月球。

　　现在一般认为“大碰撞说”最合理地解释了月球的起源，因为“大碰撞说”得到很多证据支持。人们还发现月球上的某些元素的缺失比地球上的更多，这可能是极度的高温造成的，而只有“大碰撞”理论才可能解释这样的高温。科学家也用电脑模拟的方式检测了“大碰撞说”的合理性，结果表明，假若一个火星大小的天体倾斜着撞向地球，确实能够形成现在的月亮。

　　但此前的“大碰撞说”并没有解释为什么月球的正反两面会出现明显的不同。2011年8月，有科学家提出了新的理论以解释月球的“不对称性”，这个理论认为，当时的撞击产生了一大一小两个月球，这两个月球一起围绕地球旋转了大约几千万年，直到它们也撞在了一起，并融合成了我们现在看到的月球。科学家通过计算机模拟重现了当时的情形：小月球倾斜着扎进了大月球中，把大部分物质留在了月球的背面，形成了起伏不平的月貌，这就是我们今天看到的月球背面的高地。撞击同时又压扁了位于月面之下的层面，将大量的钾、磷和稀土等元素推向了月球的正面，造成了今天月球矿物分布的不均匀。“双月理论”很好地解释了月球的正反两面显示出的不同，但这种理论只是一个假说，科学家们也并不是都同意，所以需要寻找证据上的支持。

　　从月球重力场中寻找答案

　　如何寻找正确的答案呢？有一个办法是到月球的背面去采集岩石，寻找撞击的证据，这需要一次复杂的探月任务才能实现。还有一个办法则是了解月球的内部结构和物质组成，然后将了解到的信息联系月面的地形地貌进行分析，这样的工作或许能让科学家们推测45亿年前究竟发生了什么，那次传说中的碰撞是否真的产生了现在的月球，它后来又经历了怎样的演化。这有点像为月球做一次“透视”。鉴于实际的情况，科学家们选择了“透视”，这就是“圣杯”姊妹探测器造访月球的目的。

　　“圣杯”为月球做“透视”的方法是探测月球的重力场。一颗星球的密度和物质分布会反映到它的重力场上来。重力场对飞过它附近的物体会产生不同的牵引力，物质密度高，则重力场的牵引力便大，反之牵引力就小，所以探测星球重力场的变化就能帮助科学家们间接地推测星球内部的物质分布。科学家们曾用这种方法研究过包括地球在内的其他星球，例如一个名为GOCE的计划就是针对地球进行的，它实际上是一次精确“称量”地球的行动，那次计划使科学家们深入了解了地球的内部结构，并为海洋环流和气候研究提供了重要的参考数据。

　　“圣杯”对月球的重力场探测将是有史以来精度最高的一次。在“埃布”和“弗洛”绕月运行的时候，它们之间的距离会随着月球重力牵引力的变化而发生微小的变化，这种变化无法通过肉眼察觉，但探测器上的仪器却能探测到。根据探测到的数据，地面科学家可以绘出月球重力场的详细分布图，接下来，再将重力场分布图与月貌特征结合起来进行分析，这样，科学家们就可以推算出月球从外壳到内核的物质分布情况了。由此看来，这就好像用重力探测的方法“透视”了月球的内部，有了这样的一次“重力透视”，人们便可以据此推测月球的演化过程，破解月球的起源之谜了。

　　期待更多新的发现

　　两艘探测器于2012年3月运行到了月球上空55千米处，它们以一定的间距一前一后地绕月运行。在3个月中收集了3次覆盖整个月表的数据，从而完成了主要任务。接下来又进行了扩展任务，即把轨道位置下降了一半，更“清晰”地观测月球重力场，获得更多有关月球演变的重要数据。

　　当“圣杯”的探测任务结束之时，“埃布”和“弗洛”以最后的一撞完成了它们的月球使命。科学家们表示，仅从目前的分析情况看，月球的确在形成后的数十亿年间遭受过严重的撞击，且遭受严重撞击的时间比以前认为的更加靠前，这是否支持了大碰撞理论还有待进一步的分析。至于“双月理论”，科学家们目前并不认为“圣杯”获得的数据与之吻合，不过“双月”的猜想并没有因此而遭到否定，人们期待接下来的数据分析能获得更多重要发现。

　　科学家们还指出，了解月球的重力场并不仅仅是为了印证“月球起源”的猜想，它同时也将为未来的探月任务提供必要前期准备。在未来的探月任务中，精确的着陆和稳定的绕月运行都是必须的，而重力场则会对太空船的运行施以一定的影响。除此之外，科学家们还希望这次“重力透视”能帮助他们认识星球的形成机理，这也是人类认识自然和宇宙的一项重要内容。

　　【责任编辑】庞 云