【撞向月亮上的冰】

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【撞向月亮上的冰】

 

作者: Shea

 

（本文已刊載于《太空探索》2009年第7期）

 

Richard A. Kerr　文　Shea　編譯

　　

近半個世紀之前，天文學家們就開始爭論，月球上可能有冰。

 

後來的月球探測器在它的兩極附近發現了冰的線索，但是這些遠距離的探測始終無法讓人信服。

 

不過隨著美國宇航局“月球勘測軌道飛行器”與“月球環形山觀測和傳感衛星”的發射，現在終于有了一錘定音的機會。

 

 “火熱”的極冰

　　

“阿波羅”計劃採集回來的岩石是異常乾燥的，很難把月亮和水聯系到一起。

 

不過，自從月球形成以來，冰質的彗星以及富含水的小行星不斷地撞擊月亮，這些水就有可能在月亮上的某個地方穩定地積累下來。

 

由于月球的自轉軸幾乎完全垂直于黃道面，因此即使是在“夏季”陽光也不會以大角度照射月球的兩極。

 

如果此時月球兩極附近的環形山又具有幾千米高的山壁的話，那麼在環形山底部就會形成永久的陰影區。

 

絕大多數的計算表明，在陽光照射下月亮表面的溫度可以達到120℃，而永久陰影區的溫度卻只有-223℃，這一溫度足以使得氮凝固並且永遠封存外來的水冰。

　　

在月球兩極發現有冰的跡象之前，天文學家在環境更為嚴酷的水星上偶然發現了它們的蹤跡。

 

20世紀90年代初天文學家使用雷達來探測水星的地貌，這其中他們也接收到了來自水星兩極環形山中永久陰影區的回波。

 

這一回波從電磁學來看就像是被一個厚冰層反射而來的。

 

 

[圖片說明]︰月球南極的永久陰影區。

 

版權︰NAVAL RESEARCH LABORATORY/CLEMENTINE SCIENCE TEAM。

　　

受到這一發現的鼓舞，1994年行星科學家在最後關頭為“克萊芒蒂娜”月球軌道飛行器配備了一個雷達裝置。

 

當這個雷達經過月球南極上空的時候，反射回來的信號也“預示”有冰存在的痕跡。

 

盡管其他的行星雷達專家對此仍有疑義，但是“克萊芒蒂娜”小組還是公布了這一結果。

　　

隨後使用地面上的雷達，行星科學家並沒有證實“克萊芒蒂娜”的探測結果。

 

他們確實發現月球的某些地區具有獨特的回波，但是這些回波也有可能來自月面上的某些特殊地貌，而非環形山中的永久陰影區。

 

雖然這也許是由于水冰顆粒太小造成的，但是很多人還是對月球兩極能存積大量的冰表示懷疑。

　　

為了尋找這些水冰顆粒，1998年“月球勘探者”專門攜帶了中子譜儀來測量宇宙線轟擊月球表面所產生的中子的能量。

 

如果這些中子在飛向探測器的過程中與月球土壤上層的氫原子發生踫撞的話，它們的速度就會大為降低。

 

通過測量快中子和慢中子的比列，“月球勘探者”令人信服地證明了，月亮的兩極地區富含氫——而這些氫則極有可能來自混合在月球土壤中的冰。

 

後續的研究也試圖搞清楚這些氫和永久陰影區之間的關聯。

 

但是有氫並不一定就意味著有水，因為這些氫也可能來自太陽風。

　　

不管怎樣，大部分的行星科學家仍然對此留有希望，畢竟到目前為止還沒有任何決定性的證據。

 

向月球“開火”

　　

美國東部時間2009年6月18日17時32分，美國宇航局（NASA）的“月球勘測軌道飛行器”（LRO）與“月球環形山觀測和傳感衛星”（LCROSS）使用同一枚“宇宙神”5型火箭發射升空，開始了它們“殊途同歸”的月球之旅。

 

 

[圖片說明]︰美國東部時間2009年6月18日17時32分，美國宇航局（NASA）的“月球勘測軌道飛行器”（LRO）和“月球環形山觀測和傳感衛星”（LCROSS）使用“宇宙神”5型火箭發射升空。

 

版權︰NASA。

　　

在發射之後不久LRO即和LCROSS分離，經過大約4天半的飛行之後，LRO于美國東部時間6月23日6時27分率先進入了環繞月球運行的軌道。

 

它此行的目的主要是為未來載人月球計劃尋找安全的著陸地點。

　　

盡管如此，價值5.5億美元的LRO所攜帶的7台儀器中有4台其實主要是為了尋找水的。

 

LRO上裝載了一台空間分辨率更高的中子探測器，它的雷達也能更好地來探測環形山內部的永久陰影區。

 

（印度的“月船”1號上也有類似的雷達。）

 

此外它的激光測高儀會勘測月球的地形，它的輻射計也會測量月球陰影區的溫度。

 

LRO和地球之間還會進行精度大約為10厘米的單程激光測距，以便對LRO自身的位置和月球的重力場進行高精度地測量。

 

LRO上面還攜帶了一個小型的後向反射器陣列，這使得LRO就像一面在月球軌道上運動的“魔”鏡，能把來自某個方向的輻射按照原路反射回去。

 

有了它就有可能進行類似激光測月這樣的雙程激光測距實驗，但是由于這一陣列太小，最終這一實驗能否進行還需要時間來回答。

　　

LCROSS的月球之行則要“悲壯”得多，它將為了探明月球南極的冰而撞向月球。

 

LCROSS由兩部分組成。其中佔據絕大部分的其實是“宇宙神”5型火箭的二級火箭“半人馬座”，另一部分則是“牧羊人”探測器。

 

後者是LCROSS的“大腦”、“眼楮”和機動推進器。

 

2009年6月23日，在月球的引力助推下仍然聯接在一起的LCROSS進入一條圍繞地球的極軌道，期間它對科學儀器進行了校準並且發回了第一批月球照片。

 

2009年10月9日，在繞地球轉動2圈之後“半人馬座”火箭會和“牧羊人”分離，7小時後它們將分別撞上月球。

 

 

 

 
[圖片說明]︰從不同角度看LCROSS借助月球引力變軌的示意圖。

 

版權︰NASA。

　　

在整個過程中，長10米、重2噸的“半人馬座”火箭為先鋒，它會以每小時7,200千米的速度、大角度地撞向月球南極最有可能的永久陰影區。

 

撞擊會形成閃光、向上噴濺出的物質雲以及一個3米深、20米寬的撞擊坑。

 

“牧羊人”、LRO以及地面上的望遠鏡將會探測這片物質雲，尋找冰、水蒸汽、來自水的氫氧根以及含水礦物的蹤跡。

 

然後，尾隨在“半人馬座”火箭後方700千米處的“牧羊人”會穿過這片物質雲，在自己也撞上月面之前不停地往地面發送數據。

　　

至少目前的計劃是這樣的，至于撞擊到時候是否能奏效還需要拭目以待。

 

因為撞擊的過程是高度不可預言的，因此為LCROSS建立撞擊模型極具挑戰性。

 

如果撞擊濺射出的物質中只有很少能上升到超過環形山山壁的高度，那麼對它們的探測就將會變得不可能。

 

但是對于撞擊坑深度以及拋出物總量、速度和方向的計算又充滿了不確定性。

 

 

 

[圖片說明]︰LCROSS在變軌過程中所拍攝的第一批月球照片。

 

左圖為紅外照片，右圖為可見光照片。

 

版權︰NASA。

　　

這些不確定性首先來自LCROSS自身。以行星的標準來看，它的運動太慢了。使用那些在模擬高速彗星或者小行星撞擊中所采用的假設會對結果產生誤導。

 

此外，“半人馬座”火箭也不是通常在模型中所采用的實心球體，倒更像是一個易拉罐。中空的結構使得它難于建立模型。

 

在實驗室模擬中，中空的物體射入和月球土壤類似的標靶所產生的高速濺射物的角度要小于實心的物體。

 

結果是，撞擊產生的物質也許會撞到環形山的山壁上，而不是上升到可觀測的高度。

　　

另一個不確定性則來自撞擊的目標——月球表層的物質。

 

就像岩石具有很大的空隙一樣，月球土壤也具有高度的可壓縮性。

 

這給建模帶來了極大的困難。

　　

即便月球上有冰並且LCROSS也把大量的物質撞入了高空，仍然有可能會錯過目標。

 

“克萊芒蒂娜”的雷達和“月球勘探者”的中子譜儀的分辨率並不高，它們給出的可能有冰存在的地區中也包含了陽光可以照射到的區域。

 

行星科學家們目前正在通過排除光照區並且和日本“月亮女神”所探測到的永久陰影區進行對比來細化“月球勘探者”的結果。

 

假設這些氫都是被束縛在水中的，那麼這一細化分析發現在某些環形山中氫的豐度超過了1%，但是在某些永久陰影區中仍然沒有任何氫的蹤跡。

 

[圖片說明]︰LCROSS撞月示意圖。

 

版權︰NASA。

　　

LCROSS當然不會撞向那些干燥的地方，但是沒有氫的地點並不一定就沒有冰，因為這些冰極有可能是分散的，而非整個一大塊。

 

這樣一來，LCROSS非常有可能會錯失那些真正有冰沉積的地方。

　　

LCROSS真能撞出月球南極的冰嗎？

 

我們並不確定。

 

事實上，即使是LCROSS、LRO以及其他國家的共同努力也不一定能足以解決這個問題。

 

因為不能保證月球一定會和我們“合作”，除非有一個探測器能降落到永久陰影區對其進行實地勘測。

 

[Science 2009年05月15日]