十五月圓究竟能有多圓？激光測(cè)距精確描繪月球形狀

月球，曾寄托人類(lèi)無(wú)數(shù)的想象，它是與地球距離最近的天體，也因此成為人類(lèi)深空探測(cè)的起點(diǎn)。按照計(jì)劃，嫦娥四號(hào)將于1月3日在月球背面著陸，開(kāi)啟人類(lèi)探索月球的新征程。“小時(shí)不識(shí)月，呼作白玉盤(pán)”。在人們的認(rèn)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(pán)”一樣圓潤(rùn)?

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?qǐng)?bào)記者，與地球、太陽(yáng)類(lèi)似，月球確實(shí)是近似球形。事實(shí)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(qiáng)所致。

假設(shè)將天體表面的沙石、粉塵等看做可以自由流動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，在萬(wàn)有引力的作用下，這些質(zhì)點(diǎn)會(huì)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(shì)能最低的形狀。

對(duì)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(huì)逐漸形成兩級(jí)稍扁、赤道稍鼓的扁球形狀，可以想象成用繩子拴住一個(gè)盛滿水的氣球并水平旋轉(zhuǎn)起來(lái)，就會(huì)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?yàn)橥瑯拥牡览沓尸F(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(lèi)對(duì)月球的探測(cè)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(lèi)似，月球的具體形狀并不是對(duì)稱(chēng)的。由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是完美同步的，因此一個(gè)半球總是朝向地球，而另一個(gè)半球總是背對(duì)地球。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，月球的正面(朝向地球)大部分被地勢(shì)較低的“月海”占據(jù)，而背面卻被地勢(shì)較高的“月陸”占據(jù)，這就像在扁球的背面拉扯出了一個(gè)凸起。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種奇異的形狀?學(xué)界目前尚無(wú)定論。2014年，美國(guó)加州大學(xué)科學(xué)家加里克·貝瑟爾在一項(xiàng)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(dāng)月球逐漸遠(yuǎn)離地球時(shí)，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?zèng)_擊假說(shuō)，認(rèn)為地球最開(kāi)始被“兩個(gè)月球”環(huán)繞，兩者以較低的相對(duì)速度碰撞，粘附在一起，融合成了現(xiàn)在的“一個(gè)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(yùn)動(dòng)的第二個(gè)月球，黏附到了現(xiàn)在這個(gè)月球上。

激光測(cè)距精確描繪月球形狀

“隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)月球形狀的認(rèn)識(shí)越來(lái)越清楚，對(duì)月球的探索也將永不止步。”周禮勇進(jìn)一步指出，最早是光學(xué)技術(shù)觀測(cè)，地月距離較近，通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡等儀器可以在一定程度上觀測(cè)月球表面形狀。

雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步使人類(lèi)可以利用地球上的大型合成孔徑成像雷達(dá)對(duì)月球進(jìn)行較為精確的探測(cè)。地基雷達(dá)探測(cè)成本低、重復(fù)率高，但只能探測(cè)月球朝向地球的一面。

近些年，激光測(cè)距技術(shù)和航天技術(shù)的結(jié)合為人類(lèi)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(hào)月球探測(cè)器和我國(guó)發(fā)射的嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器都攜帶了激光測(cè)距儀。在環(huán)月飛行的過(guò)程中，激光測(cè)距儀不斷向月球表面發(fā)射激光脈沖，通過(guò)脈沖發(fā)射、返回的時(shí)間測(cè)定月球表面的坐標(biāo)點(diǎn)到探測(cè)器的距離。通過(guò)對(duì)數(shù)以千萬(wàn)計(jì)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?，F(xiàn)在，人類(lèi)對(duì)月球形狀已經(jīng)有了相當(dāng)清晰的認(rèn)識(shí) 。

2009年美國(guó)國(guó)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(shí)間對(duì)月球表面超過(guò)65億個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)繪，繪制了詳盡的月球表面地形圖。參與LRO項(xiàng)目的專(zhuān)家約翰·凱勒表示，我們對(duì)月球表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)的了解甚至勝過(guò)了太陽(yáng)系中包括地球在內(nèi)的所有其他天體。當(dāng)然，還有很多有關(guān)月球的謎團(tuán)正等待著人們進(jìn)一步探索。(于紫月)

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