十五月圆,究竟能有多圆?

  十五月圆,究竟能有多圆?

  身边天文学

  月球,曾寄托人类无数想象,它是与地球距离最近天体,也因此成为人类深空探测起点。按照计划,嫦娥四号将于1月3日在月球背面着陆,开启人类探索月球新征程。“小时不识月,呼作白玉盘”。在人们认知中,十五月圆是延续数千年月球印象,也是月球最直观外貌特征。那么,月圆到底有多圆?现代科技视角下月球,是否真像“玉盘”一样圆润?

  自引力为天体“定型”  

  南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者,与地球、太阳类似,月球确实是近似球形。事实上,几乎所有行星、恒星等大型天体都是近球形,这是大型天体自引力较强所致。

  假设将天体表面沙石、粉尘等看做可以自由流动质点,在万有引力作用下,这些质点会向距离天体质心更近“低处”流去。久而久之,天体表面高低起伏变缓,逐渐趋向球形。从“能量越低越稳定”角度去看,球形是天体势能最低形状。

  对于地球、火星等存在自转天体,由南北极向赤道离心力逐渐增大,天体会逐渐形成两级稍扁、赤道稍鼓扁球形状,可以想象成用绳子拴住一个盛满水气球并水平旋转起来,就会发现水气球逐渐变得扁平。

  背面凸起扁球形

  月球也是因为同样道理呈现扁球状。数据显示,月球赤道直径为3476.2千米,较两极直径3472千米高出4.2千米。“与其他天体相比,人类对月球探测工作历史悠久,也有较为精确地形数据。”周礼勇指出。与地球类似,月球具体形状并不是对称。由于月球自转和公转是完美同步,因此一个半球总是朝向地球,而另一个半球总是背对地球。观测数据表明,月球正面(朝向地球)大部分被地势较低“月海”占据,而背面却被地势较高“月陆”占据,这就像在扁球背面拉扯出了一个凸起。

  为什么会出现这种奇异形状?学界目前尚无定论。2014年,美国加州大学科学家加里克·贝瑟尔在一项研究中表示,月球在大约40亿年前形成之初处于熔融态,形状可塑性高,且与地球相距非常近,潮汐加热现象显著,即受地球引力作用,月球出现潮汐现象,潮涨潮退之间相互摩擦,产生热量。当月球逐渐远离地球时,引力减弱,潮汐产生热量也递减,最后月球逐渐“凝固”,定格成现在形状。

  也有学者提出了低速冲击假说,认为地球最开始被“两个月球”环绕,两者以较低相对速度碰撞,粘附在一起,融合成了现在“一个月球”。换言之,月球背面那些崎岖高地曾经是围绕地球运动第二个月球,黏附到了现在这个月球上。

  激光测距精确描绘月球形状

  “随着科技发展,人类对月球形状认识越来越清楚,对月球探索也将永不止步。”周礼勇进一步指出,最早是光学技术观测,地月距离较近,通过天文望远镜等仪器可以在一定程度上观测月球表面形状。

  雷达技术进步使人类可以利用地球上大型合成孔径成像雷达对月球进行较为精确探测。地基雷达探测成本低、重复率高,但只能探测月球朝向地球一面。

  近些年,激光测距技术和航天技术结合为人类全面、精确地描绘月球形状提供了更为有效手段。2007年,日本发射“月亮女神”号月球探测器和我国发射嫦娥一号月球探测器都携带了激光测距仪。在环月飞行过程中,激光测距仪不断向月球表面发射激光脉冲,通过脉冲发射、返回时间测定月球表面坐标点到探测器距离。通过对数以千万计数据加以处理,能够获得丰富月球形状数据,精确地描绘月球表面地形。现在,人类对月球形状已经有了相当清晰认识 。

  2009年美国国家航空航天局发射月球勘察轨道器(LRO)每秒要向月面发射28次激光脉冲,5年时间对月球表面超过65亿个地点进行了测绘,绘制了详尽月球表面地形图。参与LRO项目专家约翰·凯勒表示,我们对月球表面形态和结构了解甚至胜过了太阳系中包括地球在内所有其他天体。当然,还有很多有关月球谜团正等待着人们进一步探索。