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科学松鼠会 ? 撞向月亮上的冰

撞向月亮上的冰



Shea 发表于 2009-07-13 10:58

(本文已刊载于《太空探索》2009年第7期)

Richard A. Kerr 文 Shea 编译

  近半个世纪之前,天文学家们就开始争论,月球上可能有冰。后来的月球探测器在它的两极附近发现了冰的线索,但是这些远距离的探测始终无法让人信服。不过随着美国宇航局“月球勘测轨道飞行器”与“月球环形山观测和传感卫星”的发射,现在终于有了一锤定音的机会。

“火热”的极冰

  “阿波罗”计划采集回来的岩石是异常干燥的,很难把月亮和水联系到一起。不过,自从月球形成以来,冰质的彗星以及富含水的小行星不断地撞击月亮,这些水就有可能在月亮上的某个地方稳定地积累下来。由于月球的自转轴几乎完全垂直于黄道面,因此即使是在“夏季”阳光也不会以大角度照射月球的两极。如果此时月球两极附近的环形山又具有几千米高的山壁的话,那么在环形山底部就会形成永久的阴影区。绝大多数的计算表明,在阳光照射下月亮表面的温度可以达到120℃,而永久阴影区的温度却只有-223℃,这一温度足以使得氮凝固并且永远封存外来的水冰。

  在月球两极发现有冰的迹象之前,天文学家在环境更为严酷的水星上偶然发现了它们的踪迹。20世纪90年代初天文学家使用雷达来探测水星的地貌,这其中他们也接收到了来自水星两极环形山中永久阴影区的回波。这一回波从电磁学来看就像是被一个厚冰层反射而来的。


[图片说明]:月球南极的永久阴影区。版权:NAVAL RESEARCH LABORATORY/CLEMENTINE SCIENCE TEAM。

  受到这一发现的鼓舞,1994年行星科学家在最后关头为“克莱芒蒂娜”月球轨道飞行器配备了一个雷达装置。当这个雷达经过月球南极上空的时候,反射回来的信号也“预示”有冰存在的痕迹。尽管其他的行星雷达专家对此仍有疑义,但是“克莱芒蒂娜”小组还是公布了这一结果。

  随后使用地面上的雷达,行星科学家并没有证实“克莱芒蒂娜”的探测结果。他们确实发现月球的某些地区具有独特的回波,但是这些回波也有可能来自月面上的某些特殊地貌,而非环形山中的永久阴影区。虽然这也许是由于水冰颗粒太小造成的,但是很多人还是对月球两极能存积大量的冰表示怀疑。

  为了寻找这些水冰颗粒,1998年“月球勘探者”专门携带了中子谱仪来测量宇宙线轰击月球表面所产生的中子的能量。如果这些中子在飞向探测器的过程中与月球土壤上层的氢原子发生碰撞的话,它们的速度就会大为降低。通过测量快中子和慢中子的比列,“月球勘探者”令人信服地证明了,月亮的两极地区富含氢——而这些氢则极有可能来自混合在月球土壤中的冰。后续的研究也试图搞清楚这些氢和永久阴影区之间的关联。但是有氢并不一定就意味着有水,因为这些氢也可能来自太阳风。

  不管怎样,大部分的行星科学家仍然对此留有希望,毕竟到目前为止还没有任何决定性的证据。

向月球“开火”

  美国东部时间2009年6月18日17时32分,美国宇航局(NASA)的“月球勘测轨道飞行器”(LRO)与“月球环形山观测和传感卫星”(LCROSS)使用同一枚“宇宙神”5型火箭发射升空,开始了它们“殊途同归”的月球之旅。

[图片说明]:美国东部时间2009年6月18日17时32分,美国宇航局(NASA)的“月球勘测轨道飞行器”(LRO)和“月球环形山观测和传感卫星”(LCROSS)使用“宇宙神”5型火箭发射升空。版权:NASA。

  在发射之后不久LRO即和LCROSS分离,经过大约4天半的飞行之后,LRO于美国东部时间6月23日6时27分率先进入了环绕月球运行的轨道。它此行的目的主要是为未来载人月球计划寻找安全的着陆地点。

  尽管如此,价值5.5亿美元的LRO所携带的7台仪器中有4台其实主要是为了寻找水的。LRO上装载了一台空间分辨率更高的中子探测器,它的雷达也能更好地来探测环形山内部的永久阴影区。(印度的“月船”1号上也有类似的雷达。)此外它的激光测高仪会勘测月球的地形,它的辐射计也会测量月球阴影区的温度。LRO和地球之间还会进行精度大约为10厘米的单程激光测距,以便对LRO自身的位置和月球的重力场进行高精度地测量。LRO上面还携带了一个小型的后向反射器阵列,这使得LRO就像一面在月球轨道上运动的“魔”镜,能把来自某个方向的辐射按照原路反射回去。有了它就有可能进行类似激光测月这样的双程激光测距实验,但是由于这一阵列太小,最终这一实验能否进行还需要时间来回答。

  LCROSS的月球之行则要“悲壮”得多,它将为了探明月球南极的冰而撞向月球。LCROSS由两部分组成。其中占据绝大部分的其实是“宇宙神”5型火箭的二级火箭“半人马座”,另一部分则是“牧羊人”探测器。后者是LCROSS的“大脑”、“眼睛”和机动推进器。2009年6月23日,在月球的引力助推下仍然联接在一起的LCROSS进入一条围绕地球的极轨道,期间它对科学仪器进行了校准并且发回了第一批月球照片。2009年10月9日,在绕地球转动2圈之后“半人马座”火箭会和“牧羊人”分离,7小时后它们将分别撞上月球。



[图片说明]:从不同角度看LCROSS借助月球引力变轨的示意图。版权:NASA。

  在整个过程中,长10米、重2吨的“半人马座”火箭为先锋,它会以每小时7,200千米的速度、大角度地撞向月球南极最有可能的永久阴影区。撞击会形成闪光、向上喷溅出的物质云以及一个3米深、20米宽的撞击坑。“牧羊人”、LRO以及地面上的望远镜将会探测这片物质云,寻找冰、水蒸汽、来自水的氢氧根以及含水矿物的踪迹。然后,尾随在“半人马座”火箭后方700千米处的“牧羊人”会穿过这片物质云,在自己也撞上月面之前不停地往地面发送数据。

  至少目前的计划是这样的,至于撞击到时候是否能奏效还需要拭目以待。因为撞击的过程是高度不可预言的,因此为LCROSS建立撞击模型极具挑战性。如果撞击溅射出的物质中只有很少能上升到超过环形山山壁的高度,那么对它们的探测就将会变得不可能。但是对于撞击坑深度以及抛出物总量、速度和方向的计算又充满了不确定性。

[图片说明]:LCROSS在变轨过程中所拍摄的第一批月球照片。左图为红外照片,右图为可见光照片。版权:NASA。

  这些不确定性首先来自LCROSS自身。以行星的标准来看,它的运动太慢了。使用那些在模拟高速彗星或者小行星撞击中所采用的假设会对结果产生误导。此外,“半人马座”火箭也不是通常在模型中所采用的实心球体,倒更像是一个易拉罐。中空的结构使得它难于建立模型。在实验室模拟中,中空的物体射入和月球土壤类似的标靶所产生的高速溅射物的角度要小于实心的物体。结果是,撞击产生的物质也许会撞到环形山的山壁上,而不是上升到可观测的高度。

  另一个不确定性则来自撞击的目标——月球表层的物质。就像岩石具有很大的空隙一样,月球土壤也具有高度的可压缩性。这给建模带来了极大的困难。

  即便月球上有冰并且LCROSS也把大量的物质撞入了高空,仍然有可能会错过目标。“克莱芒蒂娜”的雷达和“月球勘探者”的中子谱仪的分辨率并不高,它们给出的可能有冰存在的地区中也包含了阳光可以照射到的区域。行星科学家们目前正在通过排除光照区并且和日本“月亮女神”所探测到的永久阴影区进行对比来细化“月球勘探者”的结果。假设这些氢都是被束缚在水中的,那么这一细化分析发现在某些环形山中氢的丰度超过了1%,但是在某些永久阴影区中仍然没有任何氢的踪迹。


[图片说明]:LCROSS撞月示意图。版权:NASA。

  LCROSS当然不会撞向那些干燥的地方,但是没有氢的地点并不一定就没有冰,因为这些冰极有可能是分散的,而非整个一大块。这样一来,LCROSS非常有可能会错失那些真正有冰沉积的地方。

  LCROSS真能撞出月球南极的冰吗?我们并不确定。事实上,即使是LCROSS、LRO以及其他国家的共同努力也不一定能足以解决这个问题。因为不能保证月球一定会和我们“合作”,除非有一个探测器能降落到永久阴影区对其进行实地勘测。

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