张浩宇、苏航

北京航空航天大学沈元学院

授课老师：陈绮

月球，这颗地球的永恒伴侣，自古以来就充满了神秘。月球背面，由于永远面向地球的相反方向，因此又称为月球的“暗面”。直到20世纪中叶，人类才首次通过人造探测器窥见了它的真面目。而今，中国的嫦娥六号探测器在这片未知的土地上，开启了一段新的旅程。

一、什么是月球背面？

1.月球有背面？

月球背面是指永远朝向地球相反的一侧。由于月球的自转和公转周期相同，即所谓的“潮汐锁定”，使得我们在地球上只能看到月球的一面，而另一面则常被称为“月球背面”。

月球正面和背面

2.为什么会有月球背面？

为什么月球会有一面永远背对着地球呢？这是因为潮汐锁定。潮汐锁定就像我跟你之间有一个吸引力，但是我前胸受到的吸引力跟后背受到的吸引力是不一样的，就会导致每天像是有人在牵扯我，慢慢会让我的自转和公转同步，产生我的正面永远对着公转中心的现象。下面是更加详细的解释：

首先考虑一个质量较大的天体A（黑色），和一个质量较小的天体B（绿色），B是A的卫星。先不考虑B的自转和公转，那么我们会发现，B受到A的引力大小在不同的位置大小是不一样的（图2）。靠近A的地方受到的引力大，远离A的两侧受到的引力小，这会导致B的形状发生扭曲，成为一个椭圆形。这种扭曲现象被称为潮汐隆起。

图2

之后，我们再考虑B围绕A的公转，且暂不考虑B的自转。我们会发现，椭圆B的长轴不会时刻对着A的球心（图3）。这时，由于B受到的引力是不均匀的，会发现，这个不均匀的力会使得B的长轴指向靠近A的球心，从而发生顺时针方向的自转。

图3

再进一步，考虑B的公转和自转（假设两者均是顺时针）。如果B的自转的角速度Ω和公转角速度ω一样大，那么就是图4中绿色的情况，实际上这就已经达成了潮汐锁定。如果B的自转的角速度Ω比公转角速度ω小，那么和图3中的情况类似，B受到不均匀的引力会产生扭矩，使得B长轴的指向靠近A的球心，从而发生顺时针方向的自转，和原有的自转速度加在一起，会使得B的自转角速度增大直到和公转速度一致。如果B的自转的角速度Ω比公转角速度ω大，那么就是图4中的红色情况，这时根据之前的分析，B受到不均匀的引力会产生扭矩，使得B长轴的指向靠近A的球心，从而发生逆时针方向的自转，和原有的自转速度加在一起，会使得B的自转角速度减少直到和公转速度一致。

综上所述，不管初始的自转角速度和公转角速度的大小如何，最终二者都会趋于一致，这是站在A上，就永远只能看到B的一面。当然，实际上但很多星球潮汐锁定需要的时间太长了，超出了宇宙年龄，所以没法锁定。

图4

二、 月球背面的探索历史

1.早期观测：

1959年，前苏联的“月球3号”探测器拍摄了月球背面的首批照片，展示了一片满是撞击坑的荒凉景象。照片显示，月球背面的地形与正面有很大差异。

这些照片不仅首次让人类看到了月球背面的面貌，也为后续的月球探索任务奠定了基础。

月球3号拍摄的月球背面

2.阿波罗任务：

虽然美国的阿波罗任务未在月球背面着陆，但多次绕月飞行时拍摄了大量高分辨率的月球背面照片。例如，阿波罗8号是首个绕月飞行的载人任务，宇航员在任务中拍摄到了许多珍贵的月球背面图像。

这些任务提供的数据帮助科学家更深入地了解了月球的整体地貌和地质结构。

阿波罗11号拍摄的月球背面

3.嫦娥四号：

2019年1月3日，中国的嫦娥四号探测器成功实现了人类首次在月球背面的软着陆，着陆于冯·卡门撞击坑。这一壮举标志着中国月球探测事业的重大突破。

嫦娥四号携带的“玉兔二号”月球车在背面进行了一系列科学实验，包括地形地貌探测、矿物组成分析等。这些数据为月球背面研究提供了宝贵的第一手资料。

嫦娥四号在月球背面

4.嫦娥六号：开启月球背面采样返回之旅

2024年5月3日，嫦娥六号探测器勇敢地出征，开启了世界首次月球背面采样返回之旅。这一历史性的任务，不仅将人类探月的足迹推向了前所未有的高度，也展示了中国在深空探测领域的强大实力。

2024年6月25日，嫦娥六号从月球背面带回了1935.3克的背面样品。

由于月球的自转周期和公转周期相同，导致它始终有一面背对地球。这给着陆在月球背面的探测器带来了巨大的挑战：它们无法直接与地球进行通信。为了解决这一难题，中国先发射了鹊桥二号中继星，作为“信息桥梁”，确保了嫦娥六号与地球之间的稳定通信。

为了实现对探测器的精准控制，中国电科牵头建设了佳木斯、喀什和阿根廷等深空站，构建了深空天线组阵系统，利用多站接力方式，为鹊桥二号和嫦娥六号提供测控通信支持，确保了任务的顺利进行。

三、月球背面的地形特征

1.撞击坑多：

月球背面布满了大量的撞击坑，由于缺乏地球的潮汐作用，这些坑洞保存得非常完好。其中最大的撞击坑之一是南极-艾特肯盆地，直径约2500公里，是月球上已知最大的撞击盆地。

2.陆地面积大：

月球背面主要由高地和古老的地壳部分构成，平原和熔岩平原较少。这使得月球背面看起来更加粗糙和古老，科学家认为这部分地形保留了更多早期月球的痕迹。

3.地质复杂：

月球背面的地质结构复杂，多样的岩石类型和矿物成分为科学家提供了研究月球演化的重要线索。

月球背面地形图

四、月球背面的科研价值

1.地质研究：

月球背面保存了更多原始月壳物质，对研究月球的形成和演化具有重要意义。科学家可以通过研究这些岩石和矿物，了解月球形成的过程以及其早期地质活动。

2.天文学研究：

月球背面由于没有地球电磁波干扰，是建立射电望远镜等科学仪器的理想地点。未来的射电望远镜将帮助科学家探测宇宙深处的信号，研究宇宙大爆炸、黑洞等重大天文学问题。

3.宇宙探索的跳板：

月球背面可能成为未来深空探测任务的中转站。通过在月球建立科研基地，人类可以更方便地进行对火星甚至更远行星的探索。

正因月球背面如此高的科研价值，我国对月背采样展开了深入的研究。嫦娥六号的成功着陆和采样，将为我们带来关于月球这颗古老星球的新知识，也为未来的深空探索奠定了坚实的基础。

来源/中国宇航学会

编辑/杨斯爽

审核/穆檀

监制/姜军