探索月球400年

贾斌

不久前，中国科学院地球化学研究所联合国内多所高校的研究人员，以嫦娥工程数据为基础，结合国际上其他探月工程获得的数据和成果，发布了全球首幅1∶250万全月地质图。这是多年来探月成果的总结，代表了目前我们对月表物质成分以及构造演化等性质的全面认识，也为未来月球探测和研究提供了重要参考。回顾几百年来人类对月面的探索历程，更能让人感受到科学进步的不易。

大撞击理论认为，月球起源于一次大撞击事件，一个火星大小的星体在45亿年以前撞上了原始地球，溅射出的物质在地球轨道上形成了月球。在月球形成之初，太阳系中仍旧有许多小星体经常撞击月球，形成很多大大小小的陨石坑。

从玉兔捣药到环形山

月球是地球的天然卫星，从人类的记忆伊始，月亮就悬在夜空中，引发人们的无限遐想。满月之时，最吸引人的就是上面明暗交生的图案了。在中国古代神话中，称月球为广寒宫，住着美丽的嫦娥，她有一只捣药的玉兔，还有一位砍桂树的邻居吴刚。玉兔和桂树就是古人根据看到的月亮表面明暗交生的图案，想象出的美丽意象。

而在西方，根据古希腊哲学家和早期基督教的观点，天国是完美的，位于天国的月球（以及其他星球）是一个完美的球体，表面光滑，其明暗纹路是人观察的角度造成的。

在1609年的秋季，意大利天文学家伽利略用改进的一架望远镜指向了月球，并进行了多日的观测。伽利略并非第一个用望远镜观察月球的人，但却是第一个仔细记录和思考观察结果的人。他发现，月球表面布满了各种大大小小的凹坑和山脉，还有峡谷，和地球上很相似，这迥异于人们一直以来的想象。这些山往往是环形的，中间凹陷四周高耸似碗状，伽利略称之为环形山。

伽利略发现月球上的环形山，其意义要远大于发现本身。当时的西方笃信地心说，即认为日月星辰都是围绕地球旋转的，地球是宇宙的中心。在伽利略之前，哥白尼等人已经通过天文观测与计算，向地心说发起了挑战，提出太阳才是中心，地球围绕太阳转。伽利略的观测，破除了月球是完美的球体这一传统认识，证明月球和地球是非常像的，地球并不特殊。那么，在地心说体系中，月球是运动的，并不特殊的地球是不是应该也是运动的？基于此，伽利略推断，的确如此，地球不是中心！当然这一推理并不严谨，但这是日心说最早的“可视化”证据，仍具有非常重要的意义。在那个时期，破除一些迷信（如相信完美的月球）是弥足珍贵的。

月球1：250万全月地质图缩略图。 图片|中国科学院官网

月球上也有人吗？

伽利略用望远镜观察了月球表面的形态，并认为月球和地球是相似的。这不禁让人联想，月球上是否也有人的存在？对于当时的西方人来说，这种联想其实是非常自然的，因为传统上他们就认为，在天国的星球上面，包括月球、火星、金星甚至太阳上都是有人生存的。

伽利略使用望远镜在月球上看到了和地球上相似的山，那也应该可以看到流动的河流、汹涌的海洋、浮动的云彩甚至喷发的火山、城市的灯光等。他们最先找到的月球上的“海洋”，就是月球上的暗色部分，肉眼可见，而且在望远镜的视野中表面也比较平整，这部分应该就是海洋了。因此，早期的天文学家就把月球上环形山内部平整的暗色区域命名为月海。这一错误的称呼影响非常深远，沿用至今，比如最大的撞击坑称为风暴洋，还有静海、雨海等。

很多科幻小说家在他们的小说中设想了各种月球人的存在。比如发现行星运行三定律的伟大天文学家开普勒就在他1611年撰写的科幻小说《梦》（正式出版于1634年）中，讲述了主人公来往于月球的故事，也描绘了月球人的生活。

18世纪末，德国的天文学家施罗特非常详尽地研究了月表的形态，绘制了很多精美的图片，但却错误地解释了他的观测结果。比如他认为在月球的极地地区泛亮光的地方是暮光，甚至宣称找到了月球人的城市、商业中心甚至农场。当时的很多科学家也热衷于寻找月球上的大气，比如18世纪伟大的数学家欧拉曾计算了月球上的大气密度相当于地球上的二百分之一。

其实在伽利略观察到环形山后不久，也有一批科学家注意到了月球其实和地球不完全一样。比如在伽利略出版了他的观察结果50多年后，法国天文学家奥祖就提出，在月球上其实观察不到四季的变化，看不到飘浮的云彩，看不到海洋、河流，也看不到地球上常见的火山喷发、山火等。可惜的是，他的观点并没有广泛传播，相信月球上有人仍旧是主流。

直到1834—1837年间，德国天文学家比尔和马德勒出版了更为详尽的月表图像。根据观察结果，他们认为月球上没有大气，没有水，与地球不同，即使有生命，应该也与地球上的生命形式大不相同。马德勒提出，月球并不是地球的“复制版”。伽利略證明了天国的月球并不神圣，而马德勒则让人意识到月球（以及其他行星）并不一定和地球完全一样，月球上不一定有人生存。

2019年1月11日，“玉兔二号”巡视器在月球上。

探究环形山起源

月球上最显著的特征就是其表面密密麻麻、大大小小的圆形大坑和环形山。我们现在知道它们是陨石撞击形成的，但早期科学家的观点并非如此。因为当时的科学界并未认识到陨石这一“天外来客”的存在，他们无法想象天上可以掉石头，且能撞出一个大坑。

当时天文学家大多认为月球上的环形山是火山造成的，因为他们知道地球上火山口的形状也大多是圆形的，中间是个凹陷，比如我国著名的长白山天池。但是，月球环形山和地球火山口之间一个非常重要的差别却被他们忽略掉了，即地球上的火山口基本都出现在高山上，而月球上的环形山却出现在地势非常平坦的地方，这是火山成因说无法解释的。即便存在如此大的缺陷，在伽利略之后一直到阿波罗计划把人送上月球的前夕（即上世纪60年代），环形山的火山成因说一直占据科学界的主流。

环形山撞击成因理论的确立，经历了几个关键的阶段。第一个阶段是对陨石来源的认识。1794年，德国物理学家克拉德尼在一个小册子中提出陨石来自外太空的猜想;1803年4月26日，在法国诺曼底附近，很多人目击了一次陨石坠落事件，科学家进行了详细的调查和研究，这才最终确定陨石就是来自外太空。第二个阶段是对地球上陨石坑的认识。虽然科学家认识到了陨石源自太空，但对它们是否可以在地表撞出陨石坑其实一直持怀疑态度，关键在于一些被认作陨石坑的地方找不到陨石。在1906年，美国地质学家巴林杰在美国亚利桑那州的一个陨石坑附近发现了铁镍合金陨石，最终确定了这个大坑就是陨石撞击形成的。这是世界上第一个被确认的陨石坑。第三个阶段来自对陨石撞击效果的认识。在早期的认识中，陨石的撞击是纯机械式的，即多大的陨石撞出多大的坑。后来，这种认识发生了变化。1916年，苏联天文学家奥皮克认为陨石的速度是非常快的，在撞击地面的一瞬间会产生剧烈的爆炸，形成的撞击坑远大于陨石自身。

月球的近地面（左：面向地球）和远地面（右：背向地球）。

认识月球的巨大飞跃

在上世纪60年代后，美国、苏联发射了多个探测器进入月球轨道或降落月表，阿波罗计划甚至把人送上月球并采样返回。通过对这些探测计划获取的影像和样品的研究，我们对月球的认识水平发生了巨大的飞跃。

大撞击理论认为，月球起源于一次大撞击事件，一个火星大小的星体在45亿年以前撞上了原始地球，溅射出的物质在地球轨道上形成了月球。在月球形成之初，太阳系中仍旧有许多小星体经常撞击月球，形成很多大大小小的陨石坑。有些大的撞击深度可达几十公里，撞击后来自月球深部的岩浆就可能从这里逸出月表，形成填充整个陨石坑的广阔玄武岩低洼平原。而被撞击较轻的地方，则仍保留了原有的斜长岩月壳，称为高地。玄武岩对太阳光的吸收较强，看起来较暗，而斜长岩的高地能反射较多的太阳光，看起来比较亮，这样就形成了我们看到的月球上明暗交生的图案。

月球地质图系统表达了月壳表面地层、构造、岩性和年代学等方面的综合地质信息，反映了月球岩浆作用、撞击事件、火山活动等演化过程。原有的月球地质图主要由美国地质调查局基于阿波罗时代的探月成果编制而成。2012年前后，经过“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的探测与研究积累，我国逐渐具备了开展月球全月地质图编研的条件和基础。中国科学院地球化学研究所联合国内多所高校的研究人员，以嫦娥工程数据为基础，结合国际上其他探月工程获得的数據和成果，发布了全球首幅1∶250万全月地质图。

在新编制的月球地质图中，基于对月球动力学演化过程的认识更新了月球地质年表，采用“三宙六纪”的划分方案将月面历史分为三个宙——冥月宙、古月宙和新月宙。该地质图表达的要素主要包括：12341个撞击坑、81个撞击盆地、17种岩石类型、14类构造等，综合表达了月球地质和演化信息。

可以说，到了今天，人类对月球的认识已经非常全面了。

◎ 来源|北京日报