2011年末，月球迎來了來自地球的一對(duì)姊妹探測(cè)器——“圣杯A”和“圣杯B”。它們?cè)爸亓厮菁皟?nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室”，其縮寫GRAIL有“圣杯”之意，后又在征名活動(dòng)中被命名為“埃布”和“弗洛”，分別為“退潮”和“漲潮”之意。幾乎整整一年后，也就是人們正在忙著迎接2013年新年的時(shí)候，人們重新聽到了這對(duì)月球姊妹探測(cè)器的最新消息：它們雙雙在地面控制下撞擊了月球靠近北極的一座山峰。它們完成了什么使命？在這一年的時(shí)間里，這兩艘探測(cè)器又在月球軌道上經(jīng)歷了什么？

月球的秘密

人們觀察月球就會(huì)發(fā)現(xiàn)，月球的正反兩面是明顯不同的。正面，亦即面對(duì)地球的一面比較平坦；而反面，即背對(duì)地球的一面則山巒起伏，坑洼不平。探測(cè)表明，月球兩面的礦物分布并不均勻，正面礦藏豐富，含有大量的鉀、磷和稀土等元素，反面的礦藏則相對(duì)貧乏。為什么月球長得如此怪異？正反兩面的月貌為什么如此不同？這與它的起源和演化又有著怎樣的關(guān)系呢？

關(guān)于月球的起源迄今為止主要有四種說法。“同源說”認(rèn)為，地球和月球具有相同的起源，都是由太陽系星云吸積而成的；“分裂說”認(rèn)為，月球是由一部分被地球甩出去的物質(zhì)形成的；“俘獲說”認(rèn)為，月球來自另一個(gè)地方，是被地球“俘獲”的；“大碰撞說”認(rèn)為，45億年前，當(dāng)時(shí)地球與另外一顆原始行星發(fā)生了碰撞，一些碎片被拋入太空，從而形成了月球。

現(xiàn)在一般認(rèn)為“大碰撞說”最合理地解釋了月球的起源，因?yàn)椤按笈鲎舱f”得到很多證據(jù)支持。人們還發(fā)現(xiàn)月球上的某些元素的缺失比地球上的更多，這可能是極度的高溫造成的，而只有“大碰撞”理論才可能解釋這樣的高溫?？茖W(xué)家也用電腦模擬的方式檢測(cè)了“大碰撞說”的合理性，結(jié)果表明，假若一個(gè)火星大小的天體傾斜著撞向地球，確實(shí)能夠形成現(xiàn)在的月亮。

但此前的“大碰撞說”并沒有解釋為什么月球的正反兩面會(huì)出現(xiàn)明顯的不同。2011年8月，有科學(xué)家提出了新的理論以解釋月球的“不對(duì)稱性”，這個(gè)理論認(rèn)為，當(dāng)時(shí)的撞擊產(chǎn)生了一大一小兩個(gè)月球，這兩個(gè)月球一起圍繞地球旋轉(zhuǎn)了大約幾千萬年，直到它們也撞在了一起，并融合成了我們現(xiàn)在看到的月球。科學(xué)家通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的情形：小月球傾斜著扎進(jìn)了大月球中，把大部分物質(zhì)留在了月球的背面，形成了起伏不平的月貌，這就是我們今天看到的月球背面的高地。撞擊同時(shí)又壓扁了位于月面之下的層面，將大量的鉀、磷和稀土等元素推向了月球的正面，造成了今天月球礦物分布的不均勻?！半p月理論”很好地解釋了月球的正反兩面顯示出的不同，但這種理論只是一個(gè)假說，科學(xué)家們也并不是都同意，所以需要尋找證據(jù)上的支持。

從月球重力場(chǎng)中尋找答案

如何尋找正確的答案呢？有一個(gè)辦法是到月球的背面去采集巖石，尋找撞擊的證據(jù)，這需要一次復(fù)雜的探月任務(wù)才能實(shí)現(xiàn)。還有一個(gè)辦法則是了解月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，然后將了解到的信息聯(lián)系月面的地形地貌進(jìn)行分析，這樣的工作或許能讓科學(xué)家們推測(cè)45億年前究竟發(fā)生了什么，那次傳說中的碰撞是否真的產(chǎn)生了現(xiàn)在的月球，它后來又經(jīng)歷了怎樣的演化。這有點(diǎn)像為月球做一次“透視”。鑒于實(shí)際的情況，科學(xué)家們選擇了“透視”，這就是“圣杯”姊妹探測(cè)器造訪月球的目的。

“圣杯”為月球做“透視”的方法是探測(cè)月球的重力場(chǎng)。一顆星球的密度和物質(zhì)分布會(huì)反映到它的重力場(chǎng)上來。重力場(chǎng)對(duì)飛過它附近的物體會(huì)產(chǎn)生不同的牽引力，物質(zhì)密度高，則重力場(chǎng)的牽引力便大，反之牽引力就小，所以探測(cè)星球重力場(chǎng)的變化就能幫助科學(xué)家們間接地推測(cè)星球內(nèi)部的物質(zhì)分布?？茖W(xué)家們?cè)眠@種方法研究過包括地球在內(nèi)的其他星球，例如一個(gè)名為GOCE的計(jì)劃就是針對(duì)地球進(jìn)行的，它實(shí)際上是一次精確“稱量”地球的行動(dòng)，那次計(jì)劃使科學(xué)家們深入了解了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并為海洋環(huán)流和氣候研究提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

“圣杯”對(duì)月球的重力場(chǎng)探測(cè)將是有史以來精度最高的一次。在“埃布”和“弗洛”繞月運(yùn)行的時(shí)候，它們之間的距離會(huì)隨著月球重力牽引力的變化而發(fā)生微小的變化，這種變化無法通過肉眼察覺，但探測(cè)器上的儀器卻能探測(cè)到。根據(jù)探測(cè)到的數(shù)據(jù)，地面科學(xué)家可以繪出月球重力場(chǎng)的詳細(xì)分布圖，接下來，再將重力場(chǎng)分布圖與月貌特征結(jié)合起來進(jìn)行分析，這樣，科學(xué)家們就可以推算出月球從外殼到內(nèi)核的物質(zhì)分布情況了。由此看來，這就好像用重力探測(cè)的方法“透視”了月球的內(nèi)部，有了這樣的一次“重力透視”，人們便可以據(jù)此推測(cè)月球的演化過程，破解月球的起源之謎了。

期待更多新的發(fā)現(xiàn)

兩艘探測(cè)器于2012年3月運(yùn)行到了月球上空55千米處，它們以一定的間距一前一后地繞月運(yùn)行。在3個(gè)月中收集了3次覆蓋整個(gè)月表的數(shù)據(jù)，從而完成了主要任務(wù)。接下來又進(jìn)行了擴(kuò)展任務(wù)，即把軌道位置下降了一半，更“清晰”地觀測(cè)月球重力場(chǎng)，獲得更多有關(guān)月球演變的重要數(shù)據(jù)。

當(dāng)“圣杯”的探測(cè)任務(wù)結(jié)束之時(shí)，“埃布”和“弗洛”以最后的一撞完成了它們的月球使命?？茖W(xué)家們表示，僅從目前的分析情況看，月球的確在形成后的數(shù)十億年間遭受過嚴(yán)重的撞擊，且遭受嚴(yán)重撞擊的時(shí)間比以前認(rèn)為的更加靠前，這是否支持了大碰撞理論還有待進(jìn)一步的分析。至于“雙月理論”，科學(xué)家們目前并不認(rèn)為“圣杯”獲得的數(shù)據(jù)與之吻合，不過“雙月”的猜想并沒有因此而遭到否定，人們期待接下來的數(shù)據(jù)分析能獲得更多重要發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家們還指出，了解月球的重力場(chǎng)并不僅僅是為了印證“月球起源”的猜想，它同時(shí)也將為未來的探月任務(wù)提供必要前期準(zhǔn)備。在未來的探月任務(wù)中，精確的著陸和穩(wěn)定的繞月運(yùn)行都是必須的，而重力場(chǎng)則會(huì)對(duì)太空船的運(yùn)行施以一定的影響。除此之外，科學(xué)家們還希望這次“重力透視”能幫助他們認(rèn)識(shí)星球的形成機(jī)理，這也是人類認(rèn)識(shí)自然和宇宙的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

【責(zé)任編輯】龐 云