□ 迢柳娟

2011年9月10日，一對(duì)專門設(shè)計(jì)用來(lái)對(duì)月球進(jìn)行引力測(cè)量的衛(wèi)星，GRAIL（Gravity Recovery And Interior Laboratory），從美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地出發(fā)，搭乘“德?tīng)査?型火箭踏上前往月球的3個(gè)月的旅程。美國(guó)航宇局表示，這對(duì)衛(wèi)星的任務(wù)是以前所未有的精度測(cè)量月球各處的引力強(qiáng)度，這些測(cè)量資料結(jié)合以往阿波羅計(jì)劃月震探測(cè)的數(shù)據(jù)，將有望加深人類對(duì)月球地質(zhì)和內(nèi)部構(gòu)造的了解。

這對(duì)衛(wèi)星價(jià)值5億美元，每顆差不多相當(dāng)于一臺(tái)洗衣機(jī)大小，他們將執(zhí)行首次繪制月球內(nèi)核圖像的任務(wù)。

這對(duì)衛(wèi)星將在前往月球的路途中飛行3個(gè)月，在新年前后進(jìn)入月球極地軌道。兩臺(tái)飛行器將一前一后飛行，計(jì)劃是讓它們利用重力工具繪制月球表面之下的地形，揭示出人們所不知道的月球內(nèi)核中有些什么。此次任務(wù)還會(huì)讓科學(xué)家了解未經(jīng)探索的月球背面的情況，可能會(huì)告訴科學(xué)家是不是真有過(guò)另一個(gè)月球最終與現(xiàn)在的月球合并。

科學(xué)家們表示，GRAIL是首次測(cè)定月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的任務(wù)。在此前他們用重力科學(xué)嘗試過(guò)了解月球內(nèi)部正在發(fā)生些什么，但那些都是簡(jiǎn)單的嘗試。如果把先前的嘗試比作放大鏡的話，GRAIL就是高性能顯微鏡。

GRAIL衛(wèi)星抵達(dá)發(fā)射臺(tái)

GRAIL衛(wèi)星的徽標(biāo)

美國(guó)航宇局局長(zhǎng)博爾登（右）觀看發(fā)射

科學(xué)家認(rèn)為，月球是由一顆行星大小的物體撞入地球時(shí)形成的，撞擊拋出大量物質(zhì)，最終成為了這顆沒(méi)有空氣、荒涼的衛(wèi)星。

盡管人類自上世紀(jì)50年代起實(shí)施過(guò)100多次研究月球的任務(wù)，并且有12個(gè)人在月表行走過(guò)，但月球在歷史上如何升溫、產(chǎn)生巖漿海并結(jié)晶，這些仍然是個(gè)謎。最近的一個(gè)假說(shuō)認(rèn)為曾經(jīng)有兩個(gè)月球，它們慢慢地合并成了一個(gè)，這一說(shuō)法也可以在此次任務(wù)中進(jìn)行檢測(cè)。如果科學(xué)家們想重現(xiàn)月球的歷史演變，當(dāng)然就需要重現(xiàn)月球現(xiàn)在的溫度構(gòu)造。目前人們對(duì)于月球內(nèi)部情況的準(zhǔn)確了解還很少。有一個(gè)被廣泛接受的觀點(diǎn)認(rèn)為月球內(nèi)部有一個(gè)被液體鐵核圍繞的小型固體鐵核，但這個(gè)觀點(diǎn)未經(jīng)證實(shí)。實(shí)際上很可能在月球內(nèi)部深處的核心是氧化鈦，這種物質(zhì)可能從巖漿海中被拋出或者結(jié)晶，沉入了月球內(nèi)部深處。

由于引力測(cè)量需要高精度的繞月軌道，因此允許GRAIL發(fā)射并在特定時(shí)刻到達(dá)月球，定點(diǎn)進(jìn)入工作軌道的時(shí)間變得異常短，發(fā)射窗口只有1秒。GRAIL進(jìn)入地球軌道后，將會(huì)使用和我國(guó)嫦娥一號(hào)類似的小推力變軌方式在數(shù)個(gè)月內(nèi)緩慢飛向月球，這種方式可以保護(hù)衛(wèi)星上精密的儀器，并允許衛(wèi)星進(jìn)入高度僅有50千米的繞月軌道。

GRAIL衛(wèi)星發(fā)射升空

GRAIL藝術(shù)想像圖

GRAIL衛(wèi)星進(jìn)行重力恢復(fù)試驗(yàn)

引力與距離的平方成反比，越接近天體的重心，引力作用就越強(qiáng)，對(duì)于月球這樣的小天體，低軌道重力測(cè)量，將有助于增強(qiáng)引力不均勻?qū)πl(wèi)星軌道的影響，增加測(cè)量的精確度。

到達(dá)月球后，GRAIL的一對(duì)衛(wèi)星進(jìn)入同一繞月飛行軌道后會(huì)一直保持200千米左右的距離。運(yùn)行過(guò)程中，如果其中一個(gè)衛(wèi)星進(jìn)入了引力異常區(qū)，它會(huì)被拉向另外一條軌道，而這種運(yùn)動(dòng)會(huì)改變兩個(gè)衛(wèi)星之間的距離。一條在衛(wèi)星間傳輸?shù)臒o(wú)線電測(cè)距信號(hào)組成的無(wú)形紐帶使兩個(gè)衛(wèi)星組成一座測(cè)量月球引力的天平，兩者之間任何的高度和方位變化都會(huì)被準(zhǔn)確測(cè)量和記錄，并將這些數(shù)據(jù)傳送到幾十萬(wàn)里之遙的地球。地面測(cè)控站也使用測(cè)距系統(tǒng)來(lái)測(cè)定衛(wèi)星的位置，并校準(zhǔn)衛(wèi)星上的測(cè)量系統(tǒng)。在完成工作40天之后，這兩顆衛(wèi)星將撞入月球表面。此后對(duì)它們所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析預(yù)計(jì)將持續(xù)一年。

利用GRAIL衛(wèi)星測(cè)量出的軌道變化數(shù)據(jù)，人們可以計(jì)算出月球表面的引力強(qiáng)度分布，繪制出和地球引力場(chǎng)模型類似的高精度月球引力場(chǎng)模型。

火箭二級(jí)吊裝

整流罩內(nèi)的GRAIL衛(wèi)星

德?tīng)査鸺牡谝患?jí)和固體助推器

從光滑彈珠到粗糙桔皮

我們測(cè)量月球的引力，為什么能揭示月球坑坑洼洼的表面所掩蔽的內(nèi)部秘密呢？讓我們先從地球說(shuō)起，從行星引力場(chǎng)的特性說(shuō)起。在牛頓的《自然科學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版的年代，物理學(xué)家認(rèn)為，天體附近的引力強(qiáng)度是均勻的，物體所受引力的大小只和它與天體重心的距離，以及物體和天體的質(zhì)量相關(guān)。這個(gè)理論在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)似乎毫無(wú)疑問(wèn)，也符合從開(kāi)普勒時(shí)代以來(lái)的眾多天文觀測(cè)數(shù)據(jù)。

可是人造衛(wèi)星升空后，這個(gè)理論遇到了困境。衛(wèi)星的軌道僅由引力、對(duì)地速度和阻力決定，但按照已知的引力理論和已知的大氣模型計(jì)算出的衛(wèi)星軌道，和實(shí)際測(cè)量結(jié)果總有微弱的區(qū)別，累積下來(lái)會(huì)使長(zhǎng)期衛(wèi)星軌道的預(yù)報(bào)失去價(jià)值，衛(wèi)星測(cè)控難以進(jìn)行。軌道的變化使衛(wèi)星不時(shí)進(jìn)入大氣密度較高的區(qū)域并減速，最終導(dǎo)致衛(wèi)星過(guò)早墜毀，影響衛(wèi)星壽命。究竟是什么地方出了問(wèn)題？

通過(guò)對(duì)這種誤差的分析，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球引力場(chǎng)原來(lái)并不均勻。

地球并非一個(gè)均勻的巖石球。地球內(nèi)部地幔和部分地核的運(yùn)動(dòng)，使大量高密度物質(zhì)在地殼下緩慢流動(dòng)，推動(dòng)了上面的地殼板塊運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，地殼本身也并不均勻，部分地區(qū)由于板塊重疊或地下有大量金屬礦藏等高密度物質(zhì)，在局部地區(qū)集中了大量的質(zhì)量。我們知道，引力和質(zhì)量是成正比的，因此質(zhì)量大的區(qū)域，引力也會(huì)相應(yīng)增加。

數(shù)噸的人造衛(wèi)星運(yùn)行在幾百千米的地球軌道上，地球微弱的引力不均勻產(chǎn)生的加速度對(duì)人造衛(wèi)星軌道的影響，肯定遠(yuǎn)大于數(shù)十萬(wàn)千米外重達(dá)數(shù)十億億噸的月球。月球軌道因?yàn)榈厍蛞Σ痪鶆虍a(chǎn)生的變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人類當(dāng)時(shí)儀器的測(cè)量誤差，但人造衛(wèi)星的軌道變化大得足以影響衛(wèi)星的軌道預(yù)測(cè)。

GRAIL在清潔廠房中

測(cè)試太陽(yáng)能帆版

了解地球引力場(chǎng)，對(duì)航天領(lǐng)域至關(guān)重要。為了研究地球引力場(chǎng)的不均勻狀況，改善衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)水平，美蘇兩國(guó)發(fā)射了一系列測(cè)地衛(wèi)星。這些衛(wèi)星帶有激光反射鏡和準(zhǔn)確測(cè)量衛(wèi)星軌道用的輔助無(wú)線電設(shè)備，通過(guò)地面站對(duì)它的軌道進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，可以得到地球引力不均勻?qū)Ω鱾€(gè)衛(wèi)星軌道影響的一系列數(shù)據(jù)。使用這些數(shù)據(jù)，人們可以建立一個(gè)以地球重心為中心的地球引力場(chǎng)模型。

在這個(gè)模型中，引力強(qiáng)度一致的點(diǎn)到地球重心的距離并非完全相同，和經(jīng)典引力場(chǎng)理論中那個(gè)光滑如彈珠表面的模型完全不同，這個(gè)“引力地球”看起來(lái)更像一個(gè)表面凹凸不平的桔子。

精確的地球引力模型對(duì)衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)有重要意義，是延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命，并奠定衛(wèi)星定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)。有了引力場(chǎng)模型，準(zhǔn)確定位衛(wèi)星、建立衛(wèi)星何時(shí)經(jīng)過(guò)某處上空的星歷就成為現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在通行全球的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及同類系統(tǒng)，都是依靠這個(gè)地球引力模型來(lái)計(jì)算星歷，結(jié)合測(cè)地衛(wèi)星建立的地心大地坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算用戶所在位置的。

前面我們已經(jīng)提到，地球的引力不均勻與地殼及地球內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，那么能否通過(guò)引力測(cè)量，得到關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造的信息？

答案是肯定的。地表引力測(cè)量已是地質(zhì)和礦產(chǎn)勘探的一項(xiàng)重要技術(shù)，在板塊運(yùn)動(dòng)和地震研究中也起著重要作用。2002年，美國(guó)發(fā)射了一對(duì)GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）衛(wèi)星，通過(guò)高精度地反復(fù)測(cè)量全球引力并測(cè)量其變化，計(jì)算地球表面和內(nèi)部大量物質(zhì)的移動(dòng)，對(duì)地幔、板塊和洋流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，了解這些運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。中國(guó)也計(jì)劃發(fā)射一組類似的衛(wèi)星，用于研究和地震有關(guān)的地下斷層位置和變化情況。

從精確到更精確

與地球類似，月球也有引力異常區(qū)域。比如，蘇聯(lián)的月球10號(hào)探測(cè)器開(kāi)始繞月飛行后，學(xué)者就從軌道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的差異發(fā)現(xiàn)，月球的引力場(chǎng)和地球類似，也是不均勻的。

1966年和1967年，美國(guó)發(fā)射多個(gè)月球軌道探測(cè)器，在拍攝月球表面的同時(shí)，地球測(cè)控站通過(guò)對(duì)衛(wèi)星的精密測(cè)距，建立了月球的引力場(chǎng)模型。月球的引力場(chǎng)和地球相比較為均勻，但在幾個(gè)撞擊環(huán)形山附近，卻出現(xiàn)了異常集中的高引力區(qū)，這被稱為“質(zhì)量集中區(qū)”。

這些數(shù)據(jù)最終用到了阿波羅登月飛船的導(dǎo)航系統(tǒng)中，使登月飛船能夠完成百米左右的精確著陸——美國(guó)航宇局的數(shù)據(jù)表明，假設(shè)忽略月球引力不均勻的作用，登月飛船能夠在預(yù)定點(diǎn)附近2千米范圍內(nèi)著陸就算了不起了。

但當(dāng)時(shí)的月球引力測(cè)量還有很大局限。無(wú)線電波不能穿過(guò)月球，因此依賴無(wú)線電測(cè)距的軌道測(cè)量技術(shù)無(wú)法直接測(cè)量月球背面的衛(wèi)星，探月衛(wèi)星搭載的雷達(dá)高度計(jì)精度又不足以測(cè)量較弱的引力不均勻區(qū)帶來(lái)的軌道變化。當(dāng)阿波羅16號(hào)釋放的小衛(wèi)星在貼近月球表面數(shù)千米的軌道上因?yàn)橐Σ痪鶆驇?lái)的軌道變化墜毀后，人們就試圖尋找更精確的可以應(yīng)用于月球重力測(cè)量的技術(shù)，來(lái)進(jìn)一步了解地球的這個(gè)忠實(shí)伙伴。

2007年日本發(fā)射了“輝夜姬”月球探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器除了月球成像攝影機(jī)等常規(guī)設(shè)備外，還攜帶了兩個(gè)子衛(wèi)星，一個(gè)作為無(wú)線電中繼，地面可以使用無(wú)線電測(cè)量處于月球背面的探測(cè)器的軌道，另一個(gè)則由地面由多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量其軌道和信號(hào)，在提供引力測(cè)量結(jié)果的同時(shí)測(cè)量月球上空微弱的電離層，所得數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高了無(wú)線電測(cè)距引力測(cè)量的精度。

“輝夜姬”成功地在月球背面獲取到與以往探測(cè)器精度接近的引力測(cè)量數(shù)據(jù)，但依賴地面測(cè)控系統(tǒng)的這種方式花費(fèi)巨大，且始終局限于地面測(cè)控系統(tǒng)的精度。當(dāng)GRACE衛(wèi)星發(fā)射并成功運(yùn)行后，研究者們看到了新希望。執(zhí)行GRAIL任務(wù)的一對(duì)衛(wèi)星就可以說(shuō)是在月球軌道上運(yùn)行的GRACE衛(wèi)星。

和G R A C E一樣，通過(guò)比較多組GRAIL測(cè)量的引力數(shù)據(jù)，可以追蹤月球內(nèi)部的質(zhì)量移動(dòng)，推測(cè)月球可能存在的軟幔與核心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這些數(shù)據(jù)對(duì)于研究月球結(jié)構(gòu)、月球地質(zhì)歷史和起源，以及月球巖石中礦藏的分布都有重要意義，甚至可能用于未來(lái)的月球有人探索任務(wù)的導(dǎo)航和月面勘探。

GRAIL的測(cè)量結(jié)果也對(duì)以后的引力測(cè)量衛(wèi)星有著指導(dǎo)意義。月球是一個(gè)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的天體，使用GRAIL的技術(shù)對(duì)月球進(jìn)行測(cè)量可以進(jìn)一步了解此技術(shù)的可靠性和局限性，提供改進(jìn)技術(shù)和處理數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型的依據(jù)。同樣的測(cè)量技術(shù)經(jīng)優(yōu)化后也可能用于其它天體的重力測(cè)量，比如太陽(yáng)和其它行星。美國(guó)航宇局已經(jīng)升空的“朱諾”木星探測(cè)器也將使用無(wú)線電測(cè)距對(duì)木星這個(gè)深不可測(cè)的氣體行星的引力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，屆時(shí)，GRAIL任務(wù)中的技術(shù)細(xì)節(jié)、數(shù)學(xué)模型等內(nèi)容都可能用于對(duì)朱諾探測(cè)器的數(shù)據(jù)分析上。