一项备受冷落的研究,如何一跃成为国家级的头等大事?
2019-07-17 20:46

一项备受冷落的研究,如何一跃成为国家级的头等大事?

头图来自:东方IC;本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687);撰文:Timothy Swindle(亚利桑那大学行星科学与地球科学系教授)


在1955年的一次国际天文学联合会会议上,著名的天文学家杰拉德·柯伊伯(Gerard Kuiper)就绘制月球地图的项目向其他研究人员征求意见并寻求合作。当时,最好的那些月球图集都是手绘的,柯伊伯想用最先进的望远镜来制作一个摄影月球图集。


然而,响应他的人只有一个。


这基本反映了当时天文学界对月球的普遍态度:望远镜要用来观测遥远的天体,月球离我们那么近,而且还那么无聊——连外观都不怎么会发生改变。何况柯伊伯要做的是绘制一幅月球的地图,这不是天文学家该做的,而是地质学家的工作。


然而,柯伊伯并没有因此停下脚步,到了1960年,他把他的这个小项目搬到了亚利桑那大学。那里不仅有山区和晴朗的天空,还有亚利桑那大学想要进入一个能够挑战传统院系界限的研究领域的意愿。


第二年,当美国总统肯尼迪宣布60年代的国家目标是将人类送上月球并安全返回时,制作月球地图这一原本小众的追求突然之间变成了国家级的优先事项。


在接下来的几年时间里,柯伊伯的月球与行星实验室运用专为此目的而建造的望远镜拍摄出了越来越清晰的月球图像。后来,他们利用到月球的机器人航天器中的图像,制作了一系列越来越精密复杂的月球表面图集。


月球上的哥白尼陨石坑的一张望远镜图像,使用的是柯伊伯在亚利桑那州山区建造的望远镜拍摄的。| 图片来源:月球与行星实验室 / 亚利桑那大学


当我还是个孩子时,我关注的是宇航员的成就,这种关注从1961年幼儿园的园长冲进教室告诉我们说,宇航员艾伦·谢泼德(Alan Shepard)已被送入太空的那一天起,一直到1969年阿波罗11号着陆月球时到达顶峰。


和大多数关注了所有这些任务的人一样,我并不会真的期待将来要进入太空科学或航空航天工程领域。但当我有幸在研究生院研究了阿波罗的样本后,我就毫无意外地被它们深深吸引了。


最终,我将我的职业生涯花在了研究太空中的岩石上。同样,之前我也未曾对月球地图的绘制这项基础工作有过多的想法,直到我到了月球与行星实验室工作。随着我开始了解这些故事并有了与相关人士交谈的机会时,我开始意识到,在那个时代,那场政治上的登月竞赛导致了许多非同寻常的事情发生。


从另一个方向看月亮


月球与行星实验室的首批月球图册是由一个望远镜拍摄的最佳图像组成的。但当时的研究小组意识到,他们还可以做得更好。月球总是用同一面朝向地球。但即使是朝向地球的一侧,远离中心的区域的图像也总是出现畸变。


为了校正这个问题,研究小组制作了一个直径长约90厘米的白色月球仪,然后从走廊向下投射出一个高质量的望远镜图像。


通过移动这个月球仪,其表面特征就会像是从头顶上看到的一样。在月球可见部分的边缘附近,地貌的形状发生了变化,椭圆形变成了圆形,弯弯曲曲的线条变成了精细的结构。尽管之前也有人提出过这个想法,但“修正月球地图集”可能是对这项技术的最佳应用。


月球和行星实验室的研究生威廉·哈特曼为修正月球地图集拍摄了一张照片,这个图集中的图片通过将图像投影到一个白色月球仪上来消除畸变。| 图片来源:月球与行星实验室 / 亚利桑那大学


此外,这个过程产生了许多具有科学价值的见解。研究生威廉·哈特曼(William Hartmann)在移动月球仪以拍摄这些“校正”后的图像时,他注意到在月球的一个边缘与望远镜观测者所熟知的许多盆地非常相像。这是一个现在被称为“东海”的地貌区域。与盆地相比,它有一些关键的区别。


首先,它的内部所具有的后来的撞击坑更少,这表明它更年轻,保存得更好。此外,它有着像靶心一样的独特外观,具有同心圆形的山脉形成的环。


哈特曼意识到,这可能就是所有这些盆地在被后来的撞击坑和熔岩流抹去细节特征之前的最初模样。这种巨大撞击的想法最终使哈特曼等人提出,月球可能是由一次对地球的巨大撞击而形成的,这一想法至今仍是月球起源中的主要理论的基础。


月球上的“东海”是最引人注目的一个月球特征,它的形状像靶心环,位于月球的最西侧,是由一个行星大小的天体撞击而成的。撞击在月壳中激起涟漪,从而形成了同心圆的结构。| 图片来源:NASA/GSFC/亚利桑那州立大学/月球勘测轨道飞行器


精确降落


但是,将这些望远镜图像转换成阿波罗所需的关键信息中,最引人注目的成就是由一位名为埃文·惠特克(Ewen Whitaker)完成的。惠特克是一位谦逊的英国人,他正是1955年唯一回应柯伊伯请求的人。惠特克前往美国加入了柯伊伯的团队,并与他一同搬到了亚利桑那州。


惠特克、柯伊伯与NASA的工程师雷·希科克。| 图片来源:月球与行星实验室 / 亚利桑那大学


1966年,当“勘测者1号”机器人飞行器成为美国首次在月球上软着陆的任务时,任务小组分析了返回的照片,并报告了他们认为着陆的地点。但他们错了。惠特克使用最佳的望远镜图像,比较了在哪个方向应该可以看到哪些山丘,给出了在几英里之外的正确位置。


在阿波罗11号成功实现人类首次登月后,美国国家航空航天局(NASA)想用阿波罗12号来证明,仅凭纬度和经度是有可能对一个特定位置进行精确定位的。但前提是必须要精确地知道某个位置的经纬度。


NASA任命惠特克去找出另一个无人驾驶勘测任务“勘测者3号”的确切着陆位置。惠特克给出了他最好的估算,阿波罗12号就朝着这个目标前进。宇航员在去的路上看不到“勘测者3号”,因为它处于阴影当中。当他们在着陆后环顾四周时,发现经过了38000多公里的旅程降落之后,离目标降落点仅是步行距离内的咫尺之遥。


阿波罗12号的宇航员Pete Conrad正在检测“勘探者3号”,背景画面中的就是阿波罗12号。| 图片来源:NASA


月球与行星实验室所绘制的月球地图早已被超越,那些曾经的最佳月球表面的图像远不如由在近轨道上的飞行器拍摄的照片好。但是柯伊伯创建的组织还在继续探索。十多年来,登陆火星的航天器一直利用由高分辨率成像科学实验(HiRISE)从轨道上拍摄的图像来选择着陆地点。


目前,OSIRIS-Rex机器人航天器也正在月球与行星实验室的指导下靠近小行星贝努运行,有时在距离行星表面不到几百米的位置绘制地图,以寻找一个可以采集样本带回地球的地方。


毫无疑问的是,当样本被带回后,科学家将要用未来的几十年对其进行分析,就像我们现在也仍在分析由阿波罗任务带回的样本一样。被世人记住的是着陆和样本,但首先需要的是月球的地图。


原文标题为“Mapping the moon for Apollo”,首发于2019年7月15日的The Conversation。原文链接:https://theconversation.com/mapping-the-moon-for-apollo-118886 (中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。)


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687);撰文:Timothy Swindle(亚利桑那大学行星科学与地球科学系教授)

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