这张照片带你一窥月球至暗角落

这张令人震撼的拼接图展示了月球南极附近的沙克尔顿撞击坑（Shackleton crater），永久的黑暗笼罩着它的内部（上）。美国航空航天局（NASA）的新仪器“阴影相机（ShadowCam）”拍摄了这个撞击坑（下）。阴影相机是为观察月球表面阴影区域设计的，它搭载韩国“达努里（Danuri）”航天器，已绕月飞行近一年。周边区域则由月球侦查轨道器照相机（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera，LROC）拍摄。图上呈现了“阿尔忒弥斯3号（Artemis III）”任务13个候选着陆区的一部分。图源：NASA, KOREA AEROSPACE RESEARCH INSTITUTE, ARIZONA STATE UNIVERSITY

撰文：JAY BENNETT

科学家至今仍无法观测到月球神秘南极附近的一些部分，但新兴技术为我们点亮了笼罩在永久黑暗中的区域，它们位数全太阳系最寒冷的地方之列。预计于2025年启动的“阿尔忒弥斯3号”计划安排宇航员在这些黑暗撞击坑附近着陆，在那之前，一张新图片为科学家提供了其中一个撞击坑的景象。

这类图像不仅具有学术意义，它们所呈现的信息对于人类前往月球的探索实践同样意义重大。我们或许会在那片黑暗中找到生存的办法。

“如果那里存在水冰，我们就能从中重新获得水，供宇航员作消耗品，它们还能保护宇航员免受有害宇宙射线的损伤，也同时可以作为火箭推进剂。”德克萨斯州休斯顿市美国月球与行星研究所（Lunar and Planetary Institute）的行星科学家戴维·克林（David Kring）说。

在加利福尼亚州圣地亚哥市马林空间科学系统公司（Malin Space Science Systems）的洁净室，项目经理马特·克拉克（Matt Clark）拍摄了自己在阴影相机散热器上的倒影。这台相机就是在此搭建的。散热器上铺设着极薄的镜子，即使在太阳照射下，也能让设备保持低温。图源：MATT CLARK, MALIN SPACE SCIENCE SYSTEMS

阴影相机上裹着金“隔热毯”，它的感光度比此前的NASA月球相机高200倍。图源：MATT CLARK, MALIN SPACE SCIENCE SYSTEMS

这些撞击坑中可能含有水冰、二氧化碳等其他化合物组成的挥发性物质，温度升高就会气化。

“50年前，我们完全不知道月球表面有冰，”NASA首席勘探科学家雅各布·布莱彻（Jacob Bleacher）说。他认为，研究这些古老沉积物可以为我们创作一本“故事书”，它会讲述太阳系中水的历史，我们甚至可以利用它开启太空探索的新纪元。

制图：Matthew W. Chwastyk, NGM Staff

供图：NASA/JPL; Gazetteer of Planetary Nomen­clature, Planetary Geomatics Group, USGS

凝视黑暗

自2022年12月以后，搭载韩国航天器“达努里”的NASA新设备阴影相机使科学家能够观察到月球永久阴影区的细节。这台相机比先前月球相机的感光度高。

“这是第一次……我们能够看到撞击坑的内部，观察它与普通撞击坑有什么不同。”来自韩国航空宇宙研究院（Korea Aerospace Research Institute）的“达努里”航天器首席研究员金银赫（Eunhyeuk Kim，音译）说。

相机拍摄的图像可帮助NASA规划未来月表勘探目标，比如根据黑暗区域物质的亮度预测其中的冰含量。

“我们可以寻找霜的存在，还有可能看到霜面的变化。”亚利桑那州立大学行星科学家、阴影相机首席研究员马克·罗宾逊（Mark Robinson）说。科学家全年追踪月表霜迹，希望了解月球上挥发性物质的运动方式。

这是根据月球侦查轨道器照相机（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera，LROC）拍摄的照片得到的月球南极区域拼接图像。LROC是一套搭载于NASA月球勘测轨道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）的系统。LRO自2009年6月以来一直绕月飞行。图源：NASA/GSFC/ARIZONA STATE UNIVERSITY

月球极点没有日升日落，太阳只会缓慢地在地平线上画圈，偶尔消失在高峰或撞击坑边缘之后。之所以会产生这种现象是因为月球自转轴倾斜角没有地球那么大，低悬的太阳投下的光芒将月球地区一分为二，一些区域全年大部分时间都被照亮，另一些区域则亿万年见不到一束直射的阳光。

我们对于这片阴影中物质的了解大多来自2009年一项太空工程，当时人类用航天器的一部分撞击了阴影中的月球撞击坑坎布斯（Cabeus），并测量了撞击产生的碎片。一架名为“LCROSS”，即月球陨坑观测和遥感卫星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite）的航天器在空火箭级撞击月球时跟随其后。

“为了运用我们的全部设备近距离观察撞击，我们令LCROSS紧跟执行自杀式任务的领头航天器，最终穿越了撞击产生的溅射物云，也撞了进去。”LCROSS任务首席研究员安东尼·卡拉普瑞特（Anthony Colaprete）说。

直到最后一秒，这架航天器仍在传出数据，它发现了大量水冰以及甲烷、氨气、二氧化碳和一氧化碳结成的冰。LCROSS还测量了2494千克的火箭级撞入月球时形成的闪光，那里面包含着有关撞击物质种类的信息。碰撞并未如预测一样亮，这表明永久阴影区域内的物质可能比一般月球土壤更蓬松。

此处展现了两幅由LROC捕获的沙克尔顿撞击坑边缘图像。月球自转轴的倾斜角度小于2度，形成了极端光照条件与壮丽的景观。撞击坑边缘70%的时间都在阳光下，而撞击坑的底部则处于永暗之中。月球永久阴影区域（Permanently shadowed regions，PSRs）在数十亿年时光中可能从未见过阳光，因此达到了太阳系最低温。这里可能含有重要的冰资源储量。图源：NASA/GSFC/ARIZONA STATE UNIVERSITY

“我们知道那儿有易挥发物，但不了解它们是结冰的杂质还是冰-尘混合物。”布莱彻说。处于阴影中数十亿年，这些月球物质到底发生了什么？这是科学家们希望解答的问题之一。

为了增进对阴影下物质的了解，NASA需要进行更近距离的观察，因此他们计划发射一架漫游车前往月球南极，在出发前针对月球寒冷区域状况对这台机器勘探者进行装配与设置。2024年，挥发性物质极地探索漫游车（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）即“毒液号”将在月表着陆。

NASA位于克利夫兰的格伦研究中心（NASA’s Glenn Research Center in Cleveland）的模拟月球操作实验室（Simulated Lunar Operations Laboratory，Slope Lab）建造了“水槽（sink tank）”，其中填满仿流沙土壤的测试床，一位工程师正在测试挥发性物质极地探测车（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover ，VIPER）的原型。VIPER漫游车将在月球南极寻找水冰。它能够分别控制每个轮子，从而在陷入深而细密的沙地中时“游泳”把自己弄出去。图源：MARK THIESSEN, NATIONAL GEOGRAPHIC

驶入黑暗

继1972年“阿波罗17号（Apollo 17）”以后，NASA还未发射任何载人或无人航天器登月。为了重返月表，NASA依靠私人企业建设月球着陆器。

直觉机器公司（Intuitive Machines）和星光机器人科技公司（Astrobotic Technology）建造了两架商业开发着陆器，分别叫做“新星C号（NOVA-C）”和“游隼号（Peregrine）”，预计于今年晚些时候发射。两家公司都希望实现美国阿波罗工程后的首次登月。星光机器人公司同时也在建设一架更大的着陆器，预计将通过这架航天器把NASA“毒蛇号”漫游车载上月表。

在月球大部分区域，持续两周的日照后是长达14天的月球夜。这种情况下，航天器很难坚持下去。而月球南极附近某些区域大部分时间都处于光照中，因此“毒液号”主体侧面的太阳能板将支持漫游车运行超过100天。

韩国航空宇宙研究院“达努里”卫星上的另一架相机“月球地形成像仪（Lunar Terrain Imager，LUTI）”绕月表行进299公里，拍摄到了这张地球升起的景象，照片中还能看到北美洲与南美洲。图源：KOREA AEROSPACE RESEARCH INSTITUTE

在此期间，“毒液号”将驶入数个永久阴影区域，使用一米长的钻机采集物质，然后运用漫游车配备的整套科学仪器进行研究。

这架漫游车将首先探索着陆区附近宽达80公里的撞击坑中的阴影区。“这是一处年岁已久、有些退化的撞击坑。我们团队预测它的形成年份有36到37亿年，”继续出任“毒蛇号”项目科学家的卡拉普瑞特说，“它北面有一个美丽的锥形入口……看起来就像为漫游车驶入设计好了一样。”

“毒蛇号”团队将全天操作这台漫游车两次驶入目标阴影区域。卡拉普瑞特称这是“回马枪”。第一次驶入是为了绘制区域地图，第二次则要采集、审查提取物质，寻找冰资源。团队需要在漫游车9小时的电池寿命期限内完成两次旅行，在那之后，再控制漫游车前往海拔更高的地区为太阳能板补充能量。

宇航员哈里森·H.·施密特（Harrison H. Schmitt）是一位登月舱飞行员，照片中，他正站在月球表面，这是1972年12月11日，NASA最后一次阿波罗登月期间。“阿尔忒弥斯2号”将安排四人飞行团队于2024年重返月球，绕着这颗地球的天然卫星飞行，随后回到地球，全程共10天。图源：EUGENE A. CERNAN, NASA

没人确信“毒液号”将找到什么，但假如永久阴影区域的物质真的十分蓬松，漫游车就可能驶入很深的月壤。为了不陷进去，“毒蛇号”设计使用比火星漫游车更大的轮子，直径约49厘米，并且每个轮子都能分别转向、朝上或朝下运动。

“它可以走路，”卡拉普瑞特说，“要是被埋进了又深又软的风化层，我们就让它像提起腿一样抬高轮子再向前迈；只要你想，就能把自个儿从流沙里拽出来。”

在月球南极附近的不同区域，从阳光灿烂的地方到阴影不散的区域，“毒蛇号”将挖掘线索，了解月球上存在多少冰、它们又从何而来。

通过考察月球冰的来源，科学家将了解水如何产生、又怎样在太阳系中分布开来。阴影相机和“毒蛇号”等工程将为研究带来提示，但要弄清楚月球古老的阴影中藏着什么秘密，还需要宇航员冒险前往月球南极，搜集关键的样本。

“在我们发往各处的科学实验中，最令人印象深刻的是连接着训练有素的大脑的人眼。”“阿尔忒弥斯3号”项目科学家诺亚·佩特罗（Noah·Petro）说。

从“阿尔忒弥斯3号”开始，人类将进入太空探索的新时代，探索月球南极，创造颠覆性的发现。

“了解月球上如今正在发生的事情，让我们对十数亿年前月球上的历史建立感观，”佩特罗说，“这也将为我们提供解读自身历史的指导手册，我们将由此了解太阳系的过去，实际上也包括其他星系在宇宙中的故事。”

国家地理与NASA合作，带领人们了解“阿尔忒弥斯2号”登月计划。

（译者：绿酒）