十五月圓，究竟能有多圓？激光測距精確描繪月球形狀

月球，曾寄托人類無數(shù)的想象，它是與地球距離最近的天體，也因此成為人類深空探測的起點。按照計劃，嫦娥四號將于1月3日在月球背面著陸，開啟人類探索月球的新征程。“小時不識月，呼作白玉盤”。在人們的認知中，十五月圓是延續(xù)數(shù)千年的月球印象，也是月球最直觀的外貌特征。那么，月圓到底有多圓?現(xiàn)代科技視角下的月球，是否真的像“玉盤”一樣圓潤?

自引力為天體“定型”

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇告訴科技日報記者，與地球、太陽類似，月球確實是近似球形。事實上，幾乎所有的行星、恒星等大型天體都是近球形，這是大型天體自引力較強所致。

假設(shè)將天體表面的沙石、粉塵等看做可以自由流動的質(zhì)點，在萬有引力的作用下，這些質(zhì)點會向距離天體質(zhì)心更近的“低處”流去。久而久之，天體表面的高低起伏變緩，逐漸趨向球形。從“能量越低越穩(wěn)定”的角度去看，球形是天體勢能最低的形狀。

對于地球、火星等存在自轉(zhuǎn)的天體，由南北極向赤道的離心力逐漸增大，天體會逐漸形成兩級稍扁、赤道稍鼓的扁球形狀，可以想象成用繩子拴住一個盛滿水的氣球并水平旋轉(zhuǎn)起來，就會發(fā)現(xiàn)水氣球逐漸變得扁平。

背面凸起的扁球形

月球也是因為同樣的道理呈現(xiàn)扁球狀。數(shù)據(jù)顯示，月球赤道直徑為3476.2千米，較兩極直徑3472千米高出4.2千米。“與其他天體相比，人類對月球的探測工作歷史悠久，也有較為精確的地形數(shù)據(jù)。”周禮勇指出。與地球類似，月球的具體形狀并不是對稱的。由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是完美同步的，因此一個半球總是朝向地球，而另一個半球總是背對地球。觀測數(shù)據(jù)表明，月球的正面(朝向地球)大部分被地勢較低的“月海”占據(jù)，而背面卻被地勢較高的“月陸”占據(jù)，這就像在扁球的背面拉扯出了一個凸起。

為什么會出現(xiàn)這種奇異的形狀?學(xué)界目前尚無定論。2014年，美國加州大學(xué)科學(xué)家加里克·貝瑟爾在一項研究中表示，月球在大約40億年前形成之初處于熔融態(tài)，形狀可塑性高，且與地球相距非常近，潮汐加熱現(xiàn)象顯著，即受地球引力的作用，月球出現(xiàn)潮汐現(xiàn)象，潮漲潮退之間相互摩擦，產(chǎn)生熱量。當月球逐漸遠離地球時，引力減弱，潮汐產(chǎn)生的熱量也遞減，最后月球逐漸“凝固”，定格成現(xiàn)在的形狀。

也有學(xué)者提出了低速沖擊假說，認為地球最開始被“兩個月球”環(huán)繞，兩者以較低的相對速度碰撞，粘附在一起，融合成了現(xiàn)在的“一個月球”。換言之，月球背面那些崎嶇的高地曾經(jīng)是圍繞地球運動的第二個月球，黏附到了現(xiàn)在這個月球上。

激光測距精確描繪月球形狀

“隨著科技的發(fā)展，人類對月球形狀的認識越來越清楚，對月球的探索也將永不止步。”周禮勇進一步指出，最早是光學(xué)技術(shù)觀測，地月距離較近，通過天文望遠鏡等儀器可以在一定程度上觀測月球表面形狀。

雷達技術(shù)的進步使人類可以利用地球上的大型合成孔徑成像雷達對月球進行較為精確的探測。地基雷達探測成本低、重復(fù)率高，但只能探測月球朝向地球的一面。

近些年，激光測距技術(shù)和航天技術(shù)的結(jié)合為人類全面、精確地描繪月球形狀提供了更為有效的手段。2007年，日本發(fā)射的“月亮女神”號月球探測器和我國發(fā)射的嫦娥一號月球探測器都攜帶了激光測距儀。在環(huán)月飛行的過程中，激光測距儀不斷向月球表面發(fā)射激光脈沖，通過脈沖發(fā)射、返回的時間測定月球表面的坐標點到探測器的距離。通過對數(shù)以千萬計的數(shù)據(jù)加以處理，能夠獲得豐富的月球形狀數(shù)據(jù)，精確地描繪月球表面地形。現(xiàn)在，人類對月球形狀已經(jīng)有了相當清晰的認識 。

2009年美國國家航空航天局發(fā)射的月球勘察軌道器(LRO)每秒要向月面發(fā)射28次激光脈沖，5年時間對月球表面超過65億個地點進行了測繪，繪制了詳盡的月球表面地形圖。參與LRO項目的專家約翰·凱勒表示，我們對月球表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)的了解甚至勝過了太陽系中包括地球在內(nèi)的所有其他天體。當然，還有很多有關(guān)月球的謎團正等待著人們進一步探索。