科幻成真：嫦娥奔月去挖土

曾经科幻中的场景，已经成为中国航天计划的一部分。

2024 年 5 月 3 日，一枚长征 5 号火箭搭载着嫦娥六号飞船从海南文昌基地发射升空，开启了为期 53 天的月球探索之旅。

图片来源：CNSA

如果用一句话概括嫦娥六号此次的任务，那就是：去月球背面挖土！

由于潮汐锁定效应，导致月球的自转周期与环绕地球的公转周期几乎完全相同，这就导致月球总是一面朝向地球，这也导致一直都在自转的月球有了正面和背面的区别。

月球背面无法与地球直接通讯，给飞船的导航和着陆带来了极大挑战，架设月球中继卫星是解决月背着陆问题的唯一办法。

2018 年 5 月 21 日，我国的“鹊桥”中继卫星由一枚长征四号丙运载火箭发射升空，并被成功部署到地月拉格朗日 L2 点的晕轮轨道上。这也是目前为止唯一的为了月球背面探测任务而设计的通信卫星。

鹊桥中继卫星概念图合成（其中的地月合影由鹊桥卫星拍摄）

图片来源：https://doi.org/10.1360/N092018-00375

为了提高中继卫星对月球南极地区通讯的支持能力，2024 年 3 月 20 日，鹊桥二号中继卫星发射升空，目的就是对嫦娥六号以及后续的嫦娥七号和八号提供通讯支持。正是因为鹊桥的存在，才让月球背面的探月任务成为可能，也正是因为鹊桥，嫦娥四号才成了嫦娥六号之前唯一在月球背面成功着陆的探测器。

回顾整个嫦娥探月计划。嫦娥一号和二号完成绕月探测，嫦娥三号在月球正面着陆，嫦娥四号在月球背面着陆，嫦娥五号在月球正面着陆并采样返回。这样看来，嫦娥六号在月球背面着陆并采样返回显然早就是计划的一部分。

记得上一次守在电脑前看嫦娥五号的发射直播还是在 2020 年的 11 月 24 日。一转眼，距离嫦娥五号带回月壤已经过去了将近三年半的时间了。作为嫦娥五号的备份星，它与嫦娥五号的结构和功能都是相似的，唯一的不同，就是嫦娥六号要去往的目的地是月球背面。在三年多的准备时间里，嫦娥六号一直都在为月球背面之旅做着准备工作。

在两颗鹊桥中继卫星的加持下，通讯已经不再是嫦娥六号的最大挑战，复杂的地形才是。因为嫦娥六号此次降落的地点是月球背面艾肯盆地东北部的阿波罗撞击坑附近。

巨大的艾肯盆地  图片来源：NASA

仔细看月球背面的地图，如果你从月球南极点到艾特肯（注意不是艾肯）撞击坑连一条直线，再以这条直线为直径想象一个圆，那你就能看出一个巨大的圆形结构，这就是直径达到了 2400 公里的艾肯盆地。

在艾特肯盆地的东北部地区，有一个阿波罗撞击坑，本次嫦娥六号的着陆地点就在阿波罗撞击坑的南部边缘附近。这里几乎是月球上地形最为复杂的地区。

嫦娥六号的着陆地点   图片来源：NASA

在与地面通信存在延迟的情况下，嫦娥六号必须具备高度的自主决策能力。探测器需要能够独立处理复杂情况，如在着陆过程中避开障碍物、选择安全的着陆点等。这要求探测器搭载先进的导航系统和智能算法。AI 技术在嫦娥六号上发挥着至关重要的作用。它必须能够快速分析探测器传回的大量数据，帮助确定最佳的着陆点和采样区域。在着陆后，AI 还需要能够预测可能的风险，并为探测器的操作提供决策支持。

此外，为嫦娥六号提供通讯支持的鹊桥二号卫星是一个沿着大椭圆轨道运行的中继卫星，它相对于嫦娥六号的速度和方位都在快速改变，所以，适应一个不断变化方位和距离的中继通讯环境，也是对嫦娥六号的重大挑战。

那么，嫦娥六号去月球背面，还是靠近月球南极的背面挖土，具体是为了研究什么呢？

在地球上搞地质研究，会有无数地质学家常年深入到地球上的各个角落，采集了各种岩石的样本，挖掘各种古生物的化石和遗迹。岩石样本就是地质学家开展研究的基础数据。

有了地质学家采集回来的基础数据，我们才能推推测出地球 46 亿年波澜壮阔的历史画卷。现在，我们的地球历史可以划分为冥古宙、太古宙、元古宙、显生宙 4 个阶段。显生宙之前统称为前寒武纪，生命形式比较单一。显生宙又可以细分为古生代、中生代和新生代。就是从寒武纪生命大爆发开始算起，一直到现在为止。每个代可以细分为为若干纪，纪下面还有世。这就是地球上的地质年代的划分方法。

至少在阿波罗登月之前，人类对月球的了解，一直停留在远距离探测的层面上。科学家们此前还收集到 183 块月球陨石，这些陨石都是在月球受到撞击后，飞溅到地球上的月岩碎片。这些月岩碎片也可以测定年龄，但由于不知道这些月岩来自于月球的哪个地区，想要更加精准的展开研究，还是要登上月球，亲手把土壤和岩石样本取回来才行。

月球陨石  图片来源：wikimedia

那么，月球的地质年代，该如何研究呢？

1949 年，苏联地质学家哈巴科夫提出一个办法，他通过陨石坑的叠压关系来判断月球地层的年龄。在发生陨石撞击的时候，大量物质会被抛洒到周围很大的一片地区，每一次撞击和物质喷溅，就像是堆积在油画布上的颜料一样，可以清楚地看到层叠关系。

另外，与地球不同的是，月球上没有大气，也没有流动的水。所以，月球表面的地形地貌改变很慢。一个陨石坑在地球上会很快风蚀剥落，还会被埋在地下，但在月球上则会千年万载的存留下去。

新坑压在旧坑上，就会破坏了旧坑的形状。越是新坑，外形越是完整，越是旧坑，破坏就越严重，用这个办法也可以确定陨石坑的先后顺序。

当然，还可以通过统计撞击坑的密度分布，大致确定地层的新旧。因为被小天体撞击是个比较均匀的概率事件。陨石坑密集的地区岩层常常比较古老，光滑的表面往往是因为岩浆曾经覆盖过这个地区，地表是新形成的。

另外，还有一种通过陨石坑老化程度估算地层年龄的方法。一个年轻的陨石坑通常外形完整、边缘锐利。月球上虽然没有空气和水的侵蚀作用，但是有很多微小的陨石会随时打击月球表面。这些微陨石虽然不会形成陨石坑，但日积月累还是会抹平地形地貌，这就是陨石坑的老化。通过月球表面的老化程度，也能估算陨石坑的年龄。

同样，太阳风也能让月球表面改变颜色，导致月球表层土壤与底层土壤颜色不同。通过光谱分析，可以辨别月壤的成熟度，这也是给月球断代的方法之一。

这些方法听起来简单，但具体如何统计陨石撞击频率，如何计算月岩的老化速度，一直以来都存在很多不同意见。直到 1977 年，科学家们才建立了一个相对统一的标准。而且，即使建立了标准，这些方法也远远达不到精确。

2024 年 4 月底，我国发布了一套比例为 1:250 万的月球地质图片。这是人类有史以来最详细的一套月球全图，标记全月 12341 个撞击坑、81 个撞击盆地、17 种岩石类型、14 类构造。这张地质图就代表了人类对月球地质学的最高理解。

1:250万月球全月地质图  图片来源：wikimedia

月球的地质历史大致可以表述为“三宙六纪”。

大约在 45 亿年前，一颗火星大小的天体忒伊亚和地球发生了激烈的碰撞。撞击后，忒伊亚和地球融合在了一起，但飞溅出去的那些熔岩碎片逐渐凝聚在一起，形成了原始的月球。这就是月球形成的撞击假说，也是目前大部分科学家接受的主流理论。

月球的形成想象图   图片来源：NASA

原始的月球处于熔融状态，岩浆海洋覆盖着月球表面，因此，这个时代被称为“冥月宙：岩浆洋纪”。

随后的两亿年时间里，月球表面逐渐冷却，形成了与地球类似的分层结构。

到了 43 亿年前，一个直径 170 公里的小天体以 10 公里/秒的速度撞击了月球的南极地区。要知道，在 6500 万年前毁灭了恐龙世界的天地大冲撞，撞击地球的小行星也只有 10 公里而已，170 公里的小行星对月球来说绝对是毁天灭地的。这次撞击也永久性地改变了月球的外貌。

撞击直接洞穿了月球的表层岩石，并留下了一个直径 2400 公里的巨型撞击坑，这就是嫦娥六号此次要探索的地方——艾肯盆地。

艾肯盆地   图片来源：NASA

从月球照片上还可以看出，艾肯盆地的中心区域与周围地表的颜色不太一样，这是因为撞击产生的熔融物质被抛散在了方圆 1200 公里的范围之内，凝固之后形成了新的岩石的缘故。

艾肯盆地的最低点处在平均基准面以下 8810 米，而盆地边缘的环形山最高点为基准面以上 8160 米，总体落差达到了 17000 米，超过了两个珠峰的高度。

我国科学家根据这次撞击，划分出一个新的月球纪元，叫做“艾肯纪”。艾肯纪也是“古月宙”的开端。因为年代久远，艾肯盆地撞击坑后来被层层叠叠的陨石坑逐渐覆盖，原本的样子已经模糊不清，不过盆地的形状和结构还是保留至今。

大约在 39.2~38.5 亿年前，月球进入了一个密集承受陨石撞击的地质时期，叫做“酒海纪”。

当时，土星和木星恰好形成了轨道共振。导致小行星带的天体受到强烈扰动。大量小天体被脱离原有轨道飞向外太阳系。但也有少数小天体会进入内太阳系。那个年代，月亮会频繁遭受小天体的撞击，所以这一时期也叫做“后期重轰炸期”。

酒海纪诞生了 10 个大型撞击盆地，小型陨石坑更是不计其数。其中月球正面东部的酒海盆地最为典型，所以才得名“酒海纪”。阿波罗 16 号的着陆点就在这片区域，所以，我们可以根据阿波罗 16 号带回的样本来精确推断年代，最后科学家们得出的结论就是 39.2 亿年。因此酒海纪的年代计算相对来讲比较精确。

雨海撞击坑在月球上的位置   图片来源：wikimedia

东海撞击坑  图片来源：NASA

随着后期重轰炸期的结束，月球进入晚雨海世。这一阶段，小天体撞击不再是塑造月球表面的主导力量，晚雨海世的月球上经历了大规模的火山喷发，塑造出月球表面肉眼可见的大片暗色的平原。岩浆在月球表面肆意流淌，自然而然地灌满了那些早期形成的陨石坑。

月球正面有大片暗色的月海，我们的古人还把它们想象成了广寒宫，想象成了玉兔，想象成了三条腿的蛤蟆……这些都是雨海纪留下的产物。

月海  图片来源：NASA

根据阿波罗采集回来的样品，月海最年轻的岩石大概是 31.6 亿年前的。在那之后，月球逐渐冷却，不再有大规模的火山喷发。以此为标准，把雨海纪的结束时间设定在了 31.6 亿年前，月球的古月宙也就此结束，新月宙的第一个时代，爱拉托逊纪开始了。

从 31.6 亿年前一直到 8 亿年前，这个时代对月球表面的塑造主要以小型撞击为主。比如爱拉托逊环形山、欧拉环形山、提莫恰里斯环形山都是这一时代形成的。

爱拉托逊纪的环形山外观比较完整，但在这一时期，月球上偶尔还有零星的火山活动。根据嫦娥五号从风暴洋北部地区采集的样品，月球火山活动被推迟到了 20 亿年前。

哥白尼纪是月球的最后一个地质时代。此时的月球已经冷却，不会再有火山爆发。哥白尼纪是从哥白尼环形山形成的时候开始的。在照片上，你可以看到，围绕哥白尼环形山存在很多清晰的辐射纹路，这是陨石撞击时，熔融物质向外喷溅产生的纹路。哥白尼环形山的喷溅痕迹处于月球表层，这说明它是一个历史较短，时间较新的环形山。

哥白尼环形山  图片来源：wikimedia

这个时代还留下了诸如开普勒陨石坑、柯西陨石坑、第谷陨石坑等等很多著名的陨石坑，因为这些坑年代短，破坏少，所以边缘都显得清晰锐利，第谷环形山显得尤其明显。这个年代一直延续到现在，到现在，月球依然处在新月宙时期。

嫦娥六号的任务全程 53 天，分为发射入轨，地月转移，近月制动，环月飞行，着陆下降，月面工作，月面上升，交会对接，样品转移，环月等待，月地转移以及再入回收共 11 个飞行阶段。目前嫦娥六号刚刚完成了近月制动，进入了环月飞行阶段。对于整个任务来说，嫦娥六号的工作才刚刚开始而已。

嫦娥六号也是中国探月工程四期工程的起点，是通向载人登月和月球基地目标的重要一步。

在我小的时候，月球基地这个词汇还是个只会出现在科幻小说里的畅想，没想到现在已经成为了探月工程实实在在的目标。嫦娥系列探月项目，每一次都有惊喜带给我们，相信嫦娥六号也不会例外。我们静静等着她给我们带回好消息吧。