月球探測六十年：美蘇太空競賽大起底

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網路信息中心

地球上尚未有人類誕生時，月亮就早已存在了。

人類觀賞月亮，在月亮身上寄託想像和感情，這甚至可能早於人類文明本身。

古人憑肉眼觀察就知道月相有固定的周期變化，知道「人有悲歡離合，月有陰晴圓缺」。

月相變化。

知道月亮上有穩定的亮暗區域，知道月亮里有「仙人垂兩足，桂樹何團團。白兔搗葯成，問言與誰餐？」這樣的形狀。

左圖：月球正面暗色陰影區的輪廓，右圖：唐代銅鏡中對月宮中嫦娥桂樹、玉兔蟾蜍的想像。

之後，望遠鏡的發明讓人類可以比肉眼更清晰地觀察到月球表面的形態。其中，伽利略可能是第一個藉助望遠鏡觀察月球的人。1610年，伽利略在他出版的《星際信使》一書中展示了他通過望遠鏡觀察月球表面時繪製的月球正面粗糙不平的地貌和遍布的環形山。

左：伽利略《星際信使》一書的標題頁；右：書中的月球正面地貌手繪圖。

然而，直到測器時代來臨，人類才從真正意義上認識了那個我們最熟悉的月亮。這一切，也不過是最近60年里的事兒而已。

1957年10月4日，人類第一顆人造衛星發射，蘇聯的斯普尼克1號進入太空並完成了近地軌道的環地球飛行。

（左）蘇聯40戈比面值的郵票，票面圖案是斯普尼克1號及其軌道；（右）斯普尼克1號的複製品，現藏於美國國家航空航天博物館。

這不僅標誌著人類正式進入太空時代，也正式拉開了美蘇太空競賽的帷幕。離我們最近的月球，當然是第一戰場。

1958年，人類開始月球探測。短短的8月到12月間，美蘇競相發射了先驅者0到3號和月球1A到1C號，均發射失敗。

但到1959年，人類就已經迅速從失敗中摸索出了一點門道。

1959年1月4日，蘇聯的月球1號第一次以相距約六千千米的最近距離飛掠月球，並首次探測到月球幾乎沒有磁場。

1959年9月13日，蘇聯的月球2號第一次接觸月球表面，雖然是以一種極其慘烈的方式——撞向月球表面墜毀。

到了1959年10月6日，蘇聯的月球3號不僅成功飛掠月球，還傳回了第一張月球背面的影像。要知道，因為月球的自轉和公轉周期相同（也就是被地球「潮汐鎖定」），人類在此之前從來沒有見過月球背面長什麼樣子。

（左）為紀念前蘇聯拍到月球背面的第一張影像發行的郵票；（右）為當時傳回的第一張月球背面影像，左邊的暗色區域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海。

與此同時，蘇聯月球2號的撞擊墜毀似乎給美國提供了新的思路，因為在此期間美國一直沒有找到「接近」月球表面的方案，最接近的一次也只是先驅者4號以近六萬千米的距離飛掠月球而已。但大家都明白，只有飛得離月球越近，才能越清楚地看到月球表面的細節——於是就有了美國徘徊者號系列任務，以撞擊月球表面墜毀為代價，來「儘可能地接近月球」。

終於，1964到1965年期間，徘徊者7-9號成功拍攝並傳回大量月球表面的高清照片。這些細節照片為後來美國的探測器軟著陸提供了保障。

左：徘徊者7號；右：徘徊者7號傳回的第一張月球表面高清照片。

1966年又是人類月球探測史上閃閃發光的一年。

1966年2月3日，蘇聯的月球9號成功著陸於月球正面的風暴洋，成為人類歷史上第一個成功軟著陸於月球表面的探測器。而在這之前，人們一度非常懷疑月球表面太過鬆軟，任何物體落在表面都會陷進月球的土壤里去，因此無人著陸器的成功，給了後來的載人任務巨大的信心。4個月後，美國的勘測者1號也成功著陸於風暴洋。

月球9號、勘測者1號以及它們拍攝的月球表面照片。

1966年4月3日，蘇聯的月球10號成為第一顆成功進入月球軌道的探測器。同年8月14日，美國的月球軌道器1號也入軌成功。軌道器技術的成熟對月球探測以及人類所有的天體探測意義非凡，從此，拍攝到的月球表面照片再也不是稍縱即逝的驚鴻一瞥，而是軌道器在一圈一圈繞月飛行中可以穩定拍攝並傳回的一種存在。同時，人類獲得月球全球覆蓋的影像逐漸成為可能。再往後，就是不斷提高覆蓋率和解析度的事兒了。

月球軌道器1號拍攝的月球表面影像的覆蓋範圍。

在月球軌道器2-5號和著陸器探測者3號、5號、6號、7號成功探測的基礎上，不斷增進對月球表面了解的美國，也在不斷醞釀著太空競賽的決勝一擊——載人登月。

1968年12月24日，阿波羅8號軌道器成功進入月球軌道。這是人類歷史上第一次載人繞月飛行。

阿波羅8號宇航員威廉·安德斯在繞月軌道上拍攝的這張著名的「地出」。

1969年7月20日，阿波羅11號成功著陸於月球正面的靜海——回回慢蘇聯一拍的美國終於首先實現了載人登陸月球的壯舉。此後的阿波羅12、14、15、16、17號均成功實現了載人登月，並在月球表面完成了包括地震實驗、熱流探測、重力儀和激光反射陣列安裝、月球岩石採樣和返回等一系列直到今天都無法超越的月球實地探測——這也是人類目前為止唯一親身探測過的地球以外的天體。

六次阿波羅載人登月著陸點和當時著陸留下的各種設備（地震實驗裝置、上升艙等）在目前最高解析度的月球影像中的樣子。

而姍姍來遲的蘇聯月球16號也於1970年9月20日著陸月球正面的豐富海，採集了101克月球土壤樣本，並完成了人類第一次無人機採樣返回。

1970年11月17日，蘇聯月球17號著陸成功，並釋放月球車1號，這是人類第一台月球車。

但隨著阿波羅載人登月的成功，美蘇太空競賽迅速進入了尾聲。1972年12月11日，阿波羅17號載人登月成功，三名宇航員還在途中拍攝了著名的藍色彈珠。這成為人類太空史上迄今為止最後一個載人登陸項目——自此，阿波羅任務在最鼎盛的時候戛然而止。

1976年8月18日，蘇聯月球24號無人機著陸成功並完成了月球土壤的採樣返回，這是此後十多年裡人類最後一次月球探測項目。1977年，由於經費（主）和能量的雙重原因，阿波羅任務安裝的四台月震儀和一台重力儀被全部終止工作，一個時代宣告結束。

在1966到1976年這短短的10年里，人類瘋狂地把19台著陸器，3台月球車（包括阿波羅15的載人月球車），18個宇航員安全送上了月球表面。

人類目前為止所有成功的月球軟著陸任務，全部位於月球正面。包括美國的勘測者號（Surveyor）系列，蘇聯的月球號（Luna）系列和美國的阿波羅號（Apollo）系列。而月球再一次迎來來自地球的著陸器，就已經是近40年後的嫦娥3號了。

但這些著陸任務所獲得的寶貴數據，足夠接下來四十多年裡人類孜孜不倦地鑽研至今。

阿波羅號安裝的月震儀和主動月震實驗告訴了我們月球內部結構是什麼樣的。

（左上）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀，其中Apollo 11僅工作了三周就壞了，Apollo月震數據主要來自於12, 14, 15和16，Apollo 17處安置了一個重力儀。

（右上）四個月震儀觀測到的月震情況，到1977年四台月震儀停止工作期間，共記錄下了12558次月震（包括9次人工月震）。

（左下）目前認為的月球內部波速和密度隨深度的（粗略）關係。

（右下）月球內部結構，近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。

阿波羅15和17號鑽孔安裝的熱流探測儀告訴了我們月球內部的熱狀況是什麼樣的。

阿波羅15號安裝的兩個熱流探針（probe 1和probe 2）

阿波羅號（和月球號）安裝的激光反射稜鏡讓地球上的我們在此後的40多年裡可以持續監測月球和地球的距離變化，以及推算與之相關的地球物理參數。例如月球正在以3.8 厘米/年的速度遠離地球，這就是激光反射稜鏡告訴我們的。

（左）人類迄今為止安裝在月球上的所有激光反射稜鏡，目前只有美國的阿波羅11、14、15和蘇聯的月球21號安裝的共4個稜鏡還在工作中。

（右）阿波羅14號在月球表面安裝的激光反射稜鏡。

阿波羅號採樣返回的月球岩石樣本告訴了我們月球淺表層的物質中含有那些成分，以及各種礦物的性質、形態、元素含量等特徵是什麼樣的。

阿波羅11和12號帶回的月球玄武岩在偏光顯微鏡下的照片。

這些岩石樣品更是讓我們可以通過同位素定年來測量月球不同區域的形成年代。也是從對月球岩石樣品的定年中，人們最早發現了內太陽系晚期大撞擊（LHB）的線索（但LHB是否確實存在，是否確實是一個短期的驟增，依然有很大爭議）。

（左）阿波羅號和月球號樣品顯示的幾個著陸區的絕對年齡，（圖片來源：Sto?ffler et al.(2006)）；

（右）阿波羅樣品的定年結果顯示月球乃至整個內太陽系在約38.5億年前可能經歷過一波突然而劇烈的小天體撞擊。

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