撰文/錢航 （中國(guó)航天科技集團(tuán)一院）
本文選自《知識(shí)就是力量》雜志
據(jù)悉，嫦娥四號(hào)將于本月發(fā)射并計(jì)劃于月球背面著陸，這將是全世界首次對(duì)月球背面進(jìn)行史無前例的著陸探測(cè)和巡視探測(cè)。一直以來，月球都以“正面”示人，那你是不是好奇月球背面有什么秘密？為何月球背面有這么大的吸引力？
月球背面（即月球暗面）之所以顯得神秘，原因在于我們無法從地球上直接觀測(cè)到月球背面。由于月球的天平動(dòng)，月盤邊緣區(qū)域有時(shí)候會(huì)露出一點(diǎn)點(diǎn)側(cè)背。總體上，從地球上可以觀測(cè)到整個(gè)月球表面的59%。迄今為止，雖然還沒有航天器登陸過月球背面，但科學(xué)家仍獲得了一些月球背面的探測(cè)數(shù)據(jù)。
寧靜之地
對(duì)天文學(xué)研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的射電輻射，是研究天體（包括太陽、行星及太陽系外天體）的重要手段，稱為射電觀測(cè)。
由于這些天體的距離遙遠(yuǎn)，電磁信號(hào)十分微弱，而且地球上的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)射電天文觀測(cè)產(chǎn)生顯著干擾，所以天文學(xué)家一直希望找到一片完全寧靜的地區(qū)，監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號(hào)。
月球背面屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號(hào)，因而可以監(jiān)測(cè)到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號(hào)，從而為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。
月球背面的寧靜使其成為天文學(xué)家監(jiān)聽來自宇宙微弱電磁信號(hào)的首選之地
潮汐鎖定
因重力梯度從而使天體永遠(yuǎn)穩(wěn)定地以同一面對(duì)著另一個(gè)天體，這種現(xiàn)象稱為潮汐鎖定（或同步自轉(zhuǎn)、受俘自轉(zhuǎn)），如月球永遠(yuǎn)以同一面朝向地球。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉(zhuǎn)一圈要花上繞著同伴公轉(zhuǎn)一圈相同的時(shí)間。
這種同步自轉(zhuǎn)導(dǎo)致一個(gè)半球固定不變地朝向伙伴。月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期都約為4周，因此無論何時(shí)從地球觀察月球，都只能看見同一面的半球。直到1959年，通過從蘇聯(lián)的月球3號(hào)探測(cè)器傳送回來的照片，人們才完整地看見月球背面。
由于潮汐鎖定現(xiàn)象，月球永遠(yuǎn)只有一面朝向地球
（左圖為無月球自轉(zhuǎn)的情況，有圖為有月球自轉(zhuǎn)的情況）
月亮與潮汐
我國(guó)古代地理著作《山海經(jīng)》中就已提到潮汐與月球的關(guān)系，東漢時(shí)期的王充也在他所著的《論衡》一書中明確指出：“濤之起也，隨月升衰”。而直到牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，拉普拉斯才得以證明，潮汐現(xiàn)象是由太陽和月亮、主要是月亮的引力造成的。
月球的引潮力不僅會(huì)在地球上產(chǎn)生海潮，還會(huì)引起大氣潮。但是大氣潮遠(yuǎn)沒有海潮這樣驚天動(dòng)地、氣勢(shì)磅礴，又因我們身在其中，所以是很難察覺的。
除此之外，引潮力還會(huì)使地球的本體（包括地表）產(chǎn)生潮汐，這種潮汐稱為固體潮，固體潮引起地表的起伏很小，只有用精密的儀器才能測(cè)出來，這可能對(duì)地球的引力場(chǎng)有細(xì)微影響。地球內(nèi)部有一部分是液態(tài)的，因此那里也會(huì)產(chǎn)生潮汐。有人認(rèn)為，地球內(nèi)部的潮汐是誘發(fā)地震的原因之一。
天平動(dòng)
盡管月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)完全被鎖定，但是由于天平動(dòng)和視差，從地球重復(fù)地觀測(cè)，仍可看見月球表面的大約59%。如此看來，月球背面并不全部是暗的，而是有一部分邊緣地帶會(huì)因天平動(dòng)而被觀測(cè)到。
月球天平動(dòng)，指的是在地面上觀測(cè)到的月球可見面有上下左右的小幅度擺動(dòng)。正是由于這種效應(yīng)，人們?cè)诘厍蛏夏苡^測(cè)到月球表面的59%，其中18%時(shí)多時(shí)少。因月球運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)軸指向而造成的天平動(dòng)，又稱光學(xué)天平動(dòng)或幾何天平動(dòng)；因月球?qū)嶋H擺動(dòng)形成的天平動(dòng)則稱物理天平動(dòng)。
月球的溫克爾三重投影圖，綠線內(nèi)范圍即天平動(dòng)而使月球表面可見的理論范圍
月球3號(hào)
追溯人類第一次直接看到月球背面的歷史，是1959年10月4日，蘇聯(lián)的月球3號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空，飛往月球，它前往月球的主要任務(wù)是揭開月球背面的神秘面紗。
月球3號(hào)探測(cè)器與之前的月球1號(hào)、月球2號(hào)大不相同，它更重且設(shè)計(jì)更加巧妙。月球3號(hào)采用圓柱形的外形，首次攜帶了兩臺(tái)焦距不同的照相機(jī)，而且還使用了太陽能電池，同時(shí)采用了氣體噴嘴控制姿態(tài)。
月球3號(hào)探測(cè)器（圖片來源/WIKI）
為了完成既定任務(wù)，科研人員對(duì)發(fā)射時(shí)間和飛行軌道做了精心安排，沒有直接快速飛向月球，而是在經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的飛行之后緩慢地繞到月球背面，在距離月球大約7000米處經(jīng)過。當(dāng)它繞到月球背面時(shí)，在地球上看到的是“新月”，太陽恰好在月球3號(hào)背面，照亮了遠(yuǎn)離地球一側(cè)的月面，使得月球3號(hào)拍攝了人類不曾看到的月球背面圖片。
月球3號(hào)探測(cè)器傳回的第一幅月球背面影像照片（圖片來源/WIKI）
在通過月球背面的40分鐘之內(nèi)，兩個(gè)光學(xué)相機(jī)拍攝了29張照片，其中17張照片在飛行途中完成自動(dòng)沖印，然后通過電視掃描轉(zhuǎn)換成電視信號(hào)，再通過無線通信裝置傳送回地面。雖然最后得到的照片分辨率很低，而且只覆蓋了月球背面70%的區(qū)域，但是卻記錄了人類對(duì)月球背面的第一次觀察，展現(xiàn)了人類以前從未看到過的景象。
通過對(duì)月球3號(hào)探測(cè)器傳回的月球背面圖片的分析發(fā)現(xiàn)，月球背面主要是高地和山脈，大面積的月海只有兩個(gè)，在照片上顯示為兩個(gè)黑暗的月球表面陰暗區(qū)。而且，背面的顏色相較于正面稍紅一些。
月球背面細(xì)節(jié)圖
這一結(jié)果大大加強(qiáng)了人們探測(cè)月球的興趣。1966年，美國(guó)“月球軌道環(huán)行器”同樣拍攝到月球背面的照片，使得人們能夠看清月面上的那些錯(cuò)落、形狀不一的圓丘。隨著對(duì)月球背面探測(cè)的深入，如今，科學(xué)家已經(jīng)繪制成功更加詳細(xì)的月球背面圖，并按照國(guó)際規(guī)定給那些背面的山和“?！边M(jìn)行了命名。
除此之外，月球背面還更為古老，也保留著更為原始的狀態(tài)，它具有不同于月球正面的地質(zhì)構(gòu)造，因此，對(duì)研究月球和地球的早期歷史具有重要價(jià)值。而地球上經(jīng)歷了多次滄海桑田，早期地質(zhì)歷史的痕跡早已消失殆盡，我們只能寄望于從月球上仍保存完好的地質(zhì)記錄中挖掘地球的早期歷史。
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