成功著陸！嫦娥六號為什么要去月球的背面？

2024年6月2日，嫦娥六號在經歷了約一個月的太空飛行后（圖1），終于在萬眾期待下成功于月球背面的艾特肯盆地著陸。接下來，嫦娥六號探測器將在月球背面緊張工作，開展人類歷史上的首次月背采樣任務——將月球背面的“土特產”帶回地球。在神話故事、科幻電影以及陰謀論的背景渲染下，月球背面的故事更加離奇神秘。本文將從一個行星科學研究參與者的角度，簡單闡述月球的背面為什么如此神秘，也希望能拋磚引玉激起大家對“中國為什么要探索月球背面”這一問題的思考。

圖1 嫦娥六號環月示意圖

（圖源：國家航天局）

地球上只能看到

一半的月球

“江月年年望相似”是張若虛在《春江花月夜》中寫下的句子。誒？月亮不是有陰晴圓缺嗎，為什么詩人卻說月亮“年年相似”呢？原來仔細觀察月亮，盡管我們每天看到的月亮有明暗變化，但月面的圖樣卻是始終一致的（圖2）——這個月拍到的滿月和下個月、下下個月、未來的任何一個滿月，在肉眼上都不會有任何區別。這是由于月球的自轉和圍繞地球的公轉周期一致，達成了“地球對月球的潮汐鎖定”，所以我們在地球上始終只能看到月球的“正臉”，而無法看到它的“身后”（圖3）。難怪古人常常把月亮比喻為二維的盤子或是鏡子（“小時不識月，呼作白玉盤。又疑瑤臺鏡，飛在青云端。”李白《古朗月行》），因為它在視覺上不曾給人帶來過球體的前后左右之分。

圖2 盡管月有陰晴圓缺，但月面上的圖案都是一樣的

圖3 潮汐鎖定示意圖，月球始終以固定的一面朝向地球

地球上永遠看不到月球的背面，這一特性也給文學加工提供了無限的想象空間。馬克·吐溫說：“每個人都是月亮，都有不曾展露的暗面”，用月球背面指代人精神世界中的陰影；而魯迅在改編小說《奔月》中則用神秘的“月宮”暗喻了嫦娥逃離現實生活的精神庇護所。這一設定在科幻小說以及“陰謀論”中更是大放異彩，在阿瑟·克拉克的小說《崗哨》中：外星文明把指引地球的燈塔留在了月球，因為只有這時人類文明才具有了探索宇宙的能力；而如果外星人在月球背面建設基地，則能密切監視地球動態而無法被缺乏深空探測技術的文明所發現（圖4）。

圖4 科幻故事中的月球都市

在實際深空探測任務中，月球始終面向地球的這一特性也給月背探測帶來了很大的麻煩。人類自誕生以來就能看到月球的正面，而直到1959年，蘇聯“月球3號”探測器在經過精心設計和漫長的飛行調整后，終于繞到了月球背面，首次拍到了月亮遠端的照片（圖5）。1969年，執行美國“阿波羅11號”任務的三位宇航員成為了首次在繞月軌道上親眼看見月球背面的人類。但是由于月球的遮擋，三位宇航員會在48分鐘的時間內與38萬千米外的地球失去信號聯系，這段信號遮擋期被稱為“人類最孤獨的48分鐘”。而通過航天技術的持續發展，中國成功突破了中繼星技術用于鏈接地球和來自月背的信號。得益于提前發射的“鵲橋2號”，我國科學家能掌握嫦娥六號在月球背面的一舉一動，最終實現月球背面的樣品返回。

圖5 首張月球背面的照片（左）；

高清月球背面照片（右）

月球背面

有什么？

“月光如水水如天（趙嘏《江樓感舊》）”，由于月光清冷的顏色，我們常常會把它和“水”聯系在一起。然而月球上有“水”嗎？目前還是存在廣泛爭議的問題。月球至今沒有液態水的發現，然而在月球背面靠近南極的位置可能存在有固態的冰。眾所周知，水是地球生命能存活的最基礎條件。若要在未來實現月球空間站的建設（圖6），開發利用月球，對月球水冰的研究則無法回避。這趟月球背面也就非去不可了。

圖6 歐洲航天局繪制的月球空間站示意圖

（圖源：歐洲航天局）

月球上沒有液態水，為什么月光卻顯得如此柔和呢？這是因為月球自身不能發光，皎潔的月光來自于月球巖石對太陽光的反射。肉眼觀察月亮，我們就能發現：在月球正面存在著兩個明顯不同的區域——更亮更白的區域稱作“月球高地”；更暗更深色的區域被稱為“月海”。經過科學探測后，月球高地確實地形上更高，由灰白色的斜長巖構成；然而月海則不是“海”，其實是在數十億年前噴發、流動，而現在早已固結的玄武巖（圖7）。而更有趣的是，通過對月球背面的遙感分析——當然，科學家們并沒有在月球背面看到外星人留下的遺跡——月球的背面幾乎沒有月海的存在而全由月球高地構成。月球的玄武巖巖漿活動為什么集中在月球的正面？如何解釋月球正反面的不對稱性？在行星科學界尚無完美的答案回答這些問題。從月球背面返回樣品，或許會顛覆以前我們對月球的認識，幫助我們解決月球的形成演化之謎。

圖7 月球正面圖（左）以及月海玄武巖（右上，灰白色板狀礦物為斜長石）與高地斜長巖（右下，整體＞90%為斜長石）

而在月球自身物質之外，由于月球缺乏大氣層和磁場的保護，月球還保存了大量的隕石撞擊記錄。各種類型的小行星、彗星被月球捕獲，造就了月表深深淺淺的環形坑。某些巨大的撞擊事件可能鑿破了月殼，把月球深部的物質暴露出來；某些強烈的撞擊效應可能帶來了新的物質和能量，永久地影響了月球的演化。要想獲得這些有關太陽系和宇宙的信息，我們不得不把目光放的更遠。而嫦娥六號正是選擇了這樣一個復雜而神秘的區域作為目的地——月球南極艾特肯盆地（月球上最大的撞擊坑）的邊緣（圖8）。也許在未來樣品返回后，我們還能在月壤中找到來自其他天體的隕石殘片，告訴我們更多有關宇宙的故事。

圖8 嫦娥六號著陸區位置，紅色框所示（引自Zeng et al., 2023）

從“神話傳說”

到“科學論文”

“青天有月來幾時？我今停杯一問之。”這是李白在《把酒問月》中的句子。可能人類對宇宙奧秘的向往從文明誕生之初就應運而生：古羅馬的露娜（Luna）、古希臘的塞勒涅（Selene）、古巴比倫的南納（Nanna）、還是中國的太陰星君、嫦娥、吳剛。各個文明用不同的神話傳說來崇拜月球，同時也嘗試去認識月球、理解月球。得益于不斷發展的世界觀和方法論，我們現在可以用更“科學”、更“可靠”的方法來研究月球、解釋月球。但這遠遠不是終點，未來科技更加發達時回顧今天有關月球演化的爭論和模型，可能就像我們今天看古人把月食解釋為天狗吃掉了月亮一般幼稚。那么今天對月球的研究就沒有意義了嗎？顯然不是的。科研正是把“傳說”變為“論文”，又把“論文”變成“傳說”的工作。如果沒有今天抵達月球背面，就不會有未來開發利用月球、未來登陸火星、未來離開太陽系……這可能看起來很遠，但1903年飛機才剛剛發明，而1969年人類已經成功登月，僅僅用了不到70年的時間（圖9）。

圖9 阿波羅11號任務人類在月球留下了第一個腳印（圖源：美國航天局）

在一個月以前，我非常榮幸參與了中國科學院地質與地球物理研究所在海南文昌召開的學術會議，親眼見證了我國嫦娥六號的發射（圖10）。

圖10 嫦娥六號發射（圖源：國家航天局）

時值暴雨，等待發射的過程中我也打開了手機端的視頻直播，生怕因為人潮和雨傘的遮擋錯過了發射的瞬間。

倒計時結束，點火！——

幾條火柱猶如逆向噴發的火山，

“我們選擇去月球，不是因為它簡單而是因為它難。（《我們選擇登月》）”

地面和空氣似乎在震動，

“我們總會在月亮上相遇的（《去月球》）”

火箭只在視線中十幾秒，手機直播里的一條彈幕讓我頗為觸動——

“愿此行，終抵群星。”

美編：趙茹昕

校對：劉淇郡 江淑敏