【探索18-3】重返月球:發現你所不知道的月亮

美國太空人巴茲·奧爾德林在月球上,照片由阿姆斯壯拍攝

講師|中央研究院地科所研究員 趙丰
彙整撰文|游伊甄

月亮,抬頭就能夠在夜空中輕易地發現它的存在,古今中外多少詩詞故事描寫迷人的月亮,但是,你真的瞭解月亮嗎?中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰博士,從科學角度,剖析月球和地球之間千絲萬縷的關係

趙丰博士分析太陽系家族指出,地球是太陽系的小號成員中最大的一顆,月亮半徑1737公里、地球半徑6730公里,以行星和衛星的相對比例來說,月球是一個非常大的衛星。對比來看就發現,木星和火星的衛星都非常地小。

●登月之戰

月球是距離地球最近的星體,二次世界大戰後,人類第一階段對月球的探索,在1950年代冷戰後,月球成為的重要標的。誰先登月,誰就勝利。月球成為東西方大國的政治角力場域,其餘的科學、教育意義、振奮人心等等都只是附加的意義。

蘇聯在1959年到1976年之間進行LUNA計畫1到24號,1965年到1970年執行ZOND計畫發射15次,有 8次成功,無人登月艇成功取到月球上的樣品帶回研究。

美國NASA先後執行Ranger、Lunar Orbiter、Surveryor、Apollo計畫,其中阿波羅8號成功繞行月球,並拍下著名照片「earth rise」(地球升起),阿波羅13號沒有成功登月,平安返航。總計1969年到1972年有12名太空人登上月球。

這場太空之爭,除了定了輸贏以外,終究因為沒有獲得實際意義的回報,無法持續,直到1970年中葉,雙方都叫停。

●阿姆斯壯真的成功登月?

登月行動暫停,但是討論聲浪並不因此銷聲。有人質疑NASA真的曾經成功登月嗎?趙丰博士指出,我們不能因為看起來很奇怪,就判定是假的,科學思考應該找出背後的原因。他說明,太空人登月的照片,國旗為什麼會飄?其實是為了拍照效果,用竿子撐起來的。大太陽底下,有人質疑天為什麼是黑的呢?因為另一端沒有光過來,只有太陽的方向才有光。

趙丰博士舉另一張照片--人類在月球上的第二個腳印,討論月球的表面是怎麼樣的呢?從照片看起來,地面是粉狀的。

月球既沒有空氣,也沒有水,沒有風化作用,岩石凝固後應該是硬質的地面。月球表面不斷被隕石撞擊,撞擊產生的碎片持續被太陽風跟宇宙射線的粒子,打成粉狀。

NASA在2009年以月球探勘號繞行月球拍照,當年阿波羅六次的登月艇跟太空人的足跡從拍攝的照片都清晰可見。

●月隕石:來自月亮的石頭

阿波羅計畫中,布置了的地震儀,紀錄了一些深震、淺震、隕石撞擊的資料。淺震的可能原因是熱漲冷縮,而深震可能是因為地球對月球的潮汐力在作用所造成。

此外,阿波羅計畫也陸續帶回幾百公斤的月岩樣品,有些切成小片分到世界各地的單位進行研究,這些是重要的實驗觀察對象,讓科學家探討月球跟地球有什麼不一樣?為什麼會不一樣?

地球上也能找到極少數的月隕石,地球所蒐集到的幾萬顆隕石中,經過成分比對,被認為是月隕石者僅有200塊左右。

為什麼在地球上可以找到月球岩石的樣品?趙丰博士指出,月亮受到隕石撞擊後,濺射碎塊,而月球重力僅為地球的1/6,碎塊的濺射速度不需要太快,就能夠脫離月球的重力控制,接著被地球重力吸進來,成為月隕石。

●月球的生成

「月球雖然不大,但是對於地球而言,大到不行,這是很奇怪的事情。」趙丰博士說。

趙丰博士接著拋出一個有趣而基本的問題:「月球一直都在,以岩石估算約四十幾億年,但是,它到底是哪裡來的呢?月球和地球的關係,是鄰居?兄弟?夫妻?或是子女呢?」

喬治達爾文(George Darwin)1878年提出親子說,他認為月球是早期的地球在快速旋轉之下,甩出去的一部份。此外還有人提出月球和地球是同一時期,因各自重力凝聚而成的手足說。月球是恰巧行經地球,被地球重力捕捉的配偶說。

目前科學界的共識則是20年前提出的大撞擊說(giant impact theory of the origin of moon),四十多億年前的某一日,曾經有一顆像火星那麼大的隕石跟地球相撞,撞擊後有些碎片超過逃脫速度,跑到太陽系其他區域,也有一些碎片進入地球軌道。可能有一段時間,地球就像土星一樣擁有環,慢慢凝聚成球型,變成月亮。這項假說透過物理原理計算,用數學方式描述,由電腦模擬出和現況相符的結果。

大撞擊說不僅由電腦模擬成功,這項理論也連帶解釋為什麼月亮這麼大。以及為什麼月球平均密度比地球低很多,月球平均密度只有3.3g/cc,幾乎全部屬於岩石材質 ,而不像地球有鐵質核心,平均密度達5.5g/cc。

此外,大撞擊說也能解釋地球的自轉軸為什麼是斜的,赤道面偏離黃道面23.5度,是因為被撞歪的。趙丰博士補充說明,是不是就是形成月球的這次撞擊就變成現在的斜度,則不清楚,因為地球前後不知道已經遭受過多少撞擊。

對地球來說,月亮造成的潮汐摩擦,讓地球的轉動變慢,目前每一百年,一天的長度就會增長1-2毫秒。月亮透過潮汐摩擦把地球的角動量偷走,月亮會越來越遠,月球每年以 4公分的速率在離開地球。

●重返月球,飛向火星

月球探索活動沈寂20多年,僅有兩次小型無人太空船訪月活動。進入21世紀,月球探測又熱鬧起來,包括:歐洲太空總署2003年發射聰明一號並成功進入月球軌道、日本2009年發射無人輝夜姬號、中國2007年開始啟動20年的嫦娥工程等等。

NASA也喊出重返月球行動,做為飛向火星的前哨站。趙丰博士最後拋出一個令人省思的問題:這一波行動,是人類科學的探索,抑或是還是人類征服慾望的探求呢?

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本文整理自:106/11/11 由趙丰老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「月球:地球的那個奇異小兄弟」演講內容。

 

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