50年前的今天,月球上发生了啥
发布时间:2019-07-20
出品:科普中国
制作:haibaraemily
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  50年前的今天,美东时间720131739秒,无数人聚集在电视机前,忐忑不安地等待着。这是阿波罗11号飞船上的第5天,自发射起,它已经飞行了100个小时12分钟。 

  在一天前进入环月球轨道之后,此时的阿波罗飞船正在第13圈环绕月球,两名宇航员——尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林——也已经进入登月舱中等待,另一名宇航员迈克尔·柯林斯将在此后的20多个小时里一直独自停留在指令舱中接应。 

 


阿波罗11号的三位宇航员:尼尔·阿姆斯特朗、迈克尔·柯林斯和巴兹·奥尔德林。来源:NASA 

    

  0-2时:分离 

  而远隔了半个地球的中国大陆上,此时正是北京时间1969721日凌晨1440阿波罗11号的登月舱(LM)与指令&服务舱(CSM)分离。 

 


动图 来源:纪录片《阿波罗11号》 

  阿波罗载人飞船由三个部分组成:指令舱、服务舱和登月舱(LM,而在最终抵达地球之前,指令舱和服务舱始终连接在一起,合称为指令&服务舱(CSM)。 

 


阿波罗11号飞船的结构。图改编自:维基 

  阿波罗11号的登月舱叫做“鹰号”,指令舱叫做“哥伦比亚号”。实际登月的时候,只有登月舱会降落到月球表面,而指令&服务舱会一直停留在月球轨道上。 

    

  2-4时:降轨 

  北京时间721日凌晨3814(美东时间72015814秒),登月舱(LM)点火进入下降轨道。 

  这是一个近月点距离月球表面15.7公里、远月点距离月球表面105.9公里的大椭圆轨道,也是2个月前的阿波罗10号曾经“彩排”过的轨道。 

  2个月前,阿波罗10号的两位宇航员斯塔福德和塞尔南驾驶登月舱“史努比”与指令舱“查理·布朗”中的宇航员杨,联合测试了除了登陆月表以外的所有项目。 

 


图源:NASA 

  此时的阿波罗11号登月舱正位于月球的背面,与地球的信号处于中断状态。宇航员们将利用这段时间调整下降参数和姿态,等待飞回月球正面的时刻。 

  44分钟后,准备动力下降的登月舱打开降落雷达。 

    

  4-6时:着陆 

  北京时间721日凌晨455(美东时间7201655秒),登月舱开始动力下降。 

动图 来源:纪录片《阿波罗11号》 

    

  北京时间721日凌晨41739(美东时间720161739秒),经过12分多钟的动力下降,阿波罗11号登月舱“鹰号”终于带着两名宇航员成功着陆在远在地球38万公里之外的月球表面——月球正面的静海基地。 

底图:LROC,制图:haibaraemily 

    

  Houston, Tranquility base here. The Eagle has landed. (休斯顿,这里是静海基地。鹰号已着陆。)」 

来源:NASA 

  而收到宇航员们报平安的消息之后,地面站的工程师们回复道:「谢谢你们!我们终于可以正常呼吸了!」 

    


来源:纪录片《阿波罗11号》 

  这话一点也不夸张。 

  1957年提出C-1火箭(也就是后来的土星一号),到1967年土星五号AS-501飞行测试的成功,为了能够制造出足够把人类送上月球的强大运载火箭,美国在与时间(以及苏联)赛跑的过程中经历了无数失败,还失去了阿波罗1号三名宇航员宝贵的生命。 

  徘徊者号系列任务、勘测者号系列任务、月球轨道器系列任务、水星计划、双子星计划……为了能为登月做好充分的准备工作,美国人尽一切努力了解月球、培训宇航员。 

  即使在阿波罗11号随着土星五号火箭成功发射,成功抵达月球轨道之后,行百里者半九十,着陆的时刻会发生什么,谁也不知道。 

  就这样,无数地球上的人们和两名宇航员一起,经历了惊心动魄的12分钟降落时光: 

  l  5次程序警报响起,更要命的是宇航员对这个警报是啥意思一脸懵逼; 

  l  鹰号提前飞过了预定着陆点,只能继续往前飞行,重新寻找合适的着陆点; 

  l  自动导航不够给力,宇航员们不得不切换成手动飞行来掠过一个致命的陨石坑; 

  l  最终着陆的111秒之前,登月舱已经发出了低燃料警报; 

  l  ...... 

  但最终,在经验丰富的指令长尼尔·阿姆斯特朗的冷静(?)操作之下,鹰号在仅剩的一点燃料下安全着陆月面。 

    

  所有的努力,在这一刻得到了回报。 

  至于阿姆斯特朗童鞋实际上有多紧张,阿波罗飞船上的心率测量出卖了他——着陆月表的时刻,阿姆斯特朗的心率飙升到了156 

来源:纪录片《阿波罗11号》 

    

  6-10时:准备 

  登月舱内准备和修整。 

    

  10-12时:出舱 

  北京时间721日上午105116(美东时间720225116秒),着陆6个半小时之后,尼尔·阿姆斯特朗走出登月舱,开始走下梯子。 

    

  4分钟后,阿姆斯特朗将人类的第一个脚步踏上月球。 

    

  That's one small step for a manone giant leap for mankind. 

  这是个人的一小步,却是人类的一大步。」 

 

 

 

来源:NASA 

  一看这渣画质就知道是阿波罗着陆腿上的相机拍摄的…虽然有一部分影像在2009年做了做了后期修复重建。 

    

  20分钟后,北京时间721日上午111157,第二名人类——巴兹·奥尔德林也走出了登月舱。 

  事实上,如今的我们常看到的阿波罗11号宇航员出舱的高清照片,绝大多数都不是登月第一人阿姆斯特朗,而是第二人奥尔德林——因为这是先下来的阿姆斯特朗为奥尔德林拍摄的。 

    

奥尔德林走下梯子,埃姆斯特朗的相机真的是清楚多了。来源:AS11-40-5866 

    

  这枚著名的登月脚印,也是奥尔德林的。 

来源:NASA 

  再然后,他们在全世界的注视下竖起了美国国旗,与白宫的总统对话……在大多数阿波罗11号的介绍里,故事到了这里,差不多就已经结束了。即使是在《登月第一人》这样的电影里,阿姆斯特朗登上月球,欣赏了一会儿景色,然后镜头一转,就动身回地球了。 

    

  活着踏上月球表面,似乎已经是整个阿波罗11号任务的成功,之后发生了什么?反正我们都知道他们也都活着回来了… 

    

  然而,作为人类第一次月面科学考察,两名宇航员的工作才刚刚开始。 

    

  第一次样本采集 

  事实上,早在奥尔德林还没有出舱的20分钟里,阿姆斯特朗就已经高效地完成了一波月面初步考察:安装了相机、对月表进行拍照,以及展开了1次月球样本采集(Contingency Sample 

阿姆斯特朗第一次月面采样。来源:阿波罗着陆腿上的相机拍摄 

  这种看着像打高尔夫球似的动作,其实是宇航员在“捞”样品。而奥尔德林的加入,让接下来的探测变得更加紧张有序。 

第一次月面采样发生于北京时间上午11558-98秒这三分多钟里,阿姆斯特朗共采集了约1公斤月球样品装入塑料袋中。来源:NASA 

    

  太阳风成分实验 

  太阳一直在向外释放高能带电粒子,也就是“太阳风”。幸运的是,地球的磁场能够屏蔽绝大部分太阳风(除了极区),保护了地球的大气,也保护了地球上的生命。而几乎没有磁场和大气层的月球就不一样了,太阳风可以长驱直入,直接轰击月球的表面。 

  为了探测太阳风的成分,奥尔德林开展了太阳风成分实验。 

  北京时间721日上午113520(美东时间720233520秒),奥尔德林开始在距离登月舱约6米外的地方立起一面“旗子”——一块1.4×0.3米的铝箔板。这块铝箔板将在月球上停留77分钟,把打上去的太阳风粒子收集起来,然后由宇航员拆下来带回地球。 

(左)奥尔德林安置的铝箔板;(右)太阳风成分实验示意图。来源:NASA 

    

  事实上,除了阿波罗11号,此后的阿波罗12号、14号、15号和16号也开展了相似的太阳风成分实验。 

    

  第二次样本采集 

  大约17分钟后,阿姆斯特朗开始了第二次样本采集(Bulk sample,持续约14分钟。第二次采样对具体的月岩类型选择没有什么要求,只需要采集大量的样本可以带回地球研究就可以。 

第二次采样所用的铲子和采回的样品示例。来源:美国国家航空航天博物馆&NASA 

    

  12-14时:安置科学仪器 

  好不容易来一趟月球,科学家们恨不得把地球上的仪器都让宇航员们带上,然而由于重量的限制……这是不可能的。而且由于是第一次着陆,考虑到月面行走的安全,阿波罗11号带的科学仪器尤其少——此后的几次阿波罗任务均安置了4-6种科学仪器,但阿波罗11号只带了2种——激光反射棱镜和被动月震仪 

  北京时间721日中午122538(美东时间同天02538秒),奥尔德林从登月舱中取出仪器。 

 


图中还可以看到用于太阳风成分实验的铝箔板。来源:NASA AS11-40-5931 

    

奥尔德林:左手一台月震仪,右手一台激光反射棱镜,开开心心提着去安上。来源:NASA 

    

  此后的10分钟里,两台仪器先后被安装在月球表面。 

    

  激光反射棱镜 

  激光反射棱镜是一种原理非常直观的观测手段:通过在月球正面安置棱镜,从地球上向棱镜发射激光并接收反射回来的激光,通过激光传播时间就可以推算每个时刻地球和月球之间的距离和变化。 

阿波罗11号在月球上安置的激光反射棱镜阵列(左)和揭开黑色盖子之后的样子(右)来源:NASA&美国国家航空航天博物馆 

    

  阿波罗11号之后,NASA的阿波罗141517号载人登月任务和苏联的月球1721号无人登月任务均在月面安装了一台激光反射棱镜。 

  由于几乎不需要后期维护(此处月震仪哭晕在厕所),这些安装在月球正面的激光反射棱镜阵列可以长时间工作,帮助我们在几十年的尺度上持续监测地月之间的距离变化,并推算与之相关的地球物理参数。我们熟知的“月球正在以3.8 厘米/年的速度远离地球”,这就是月面激光反射棱镜告诉我们的。 

  至今仍在工作中的阿波罗月面激光反射棱镜也成为了今天的我们见证阿波罗登月真实性的铁证之一——2018122日晚,中国科学院云南天文台团队利用1.2米望远镜激光测距系统,多次成功探测到阿波罗15号月面激光反射棱镜返回的激光脉冲信号,成功实现了我国首次月球激光测距。 

(左)人类迄今为止安装在月球上的所有激光反射棱镜位置。来源:NASA;(右)云南天文台1.2米望远镜进行的激光测月观测和观测结果。来源:云南天文台 

    

  月震仪 

  阿波罗11号携带的是动月震仪套装,所谓“被动”嘛,就是自己不生产月震,只在月球感觉到震动的时候测一下。 

  既然有被动月震观测,当然也就有主动月震观测——后来的阿波罗1416号任务的宇航员在月球上安装了主动月震观测装置,并人工制造了几次月震。 

 


奥尔德林在装配(左)和调整(右)月震仪来源:NASA 

    

  在月震仪被安装上不久,北京时间721日中午124039(美东时间同天04039秒),地球上的科学家们就已经收到了阿波罗11号月震仪传回的第一份被动月震数据——宇航员们月面活动产生的月震。 

  

来源:纪录片《阿波罗11号》 

  和激光反射棱镜一样,月震仪也同样可以在宇航员们离开月球之后长期继续工作,不过可惜的是,阿波罗11号安置的月震仪仅仅工作了三周就坏了,远没有后来阿波罗1214151617号安置的月震仪那么坚挺——后4台月震仪一直工作到了1977年才由于经费和供能的双重原因被终止。在此期间,这些月震仪记录下了12558次月震(包括9次人工月震),大大帮助我们认识了月球的内部结构。 


(左)阿波罗任务在月球上安置的几个月震仪,Apollo 17处安置了一个重力仪(Kawamura et al.2015)。(右)月球内部结构(Wieczorek et al., 2006),近月面四个绿色点(A12/14A15A16)表示阿波罗号安装的四个月震仪的纬度。 

    

  第三次样本采集 

  北京时间721日中午1243(美东时间同天043分),阿姆斯特朗和奥尔德林开始了第三次样本采集(Documented Sample 

  相比于前两次“随便捞捞”比较随意的样本采集,第三次样本采集要认真严格得多。两位宇航员分工协作,完成了这最后一次采样。 

  一边,奥尔德林用直径2厘米的岩管采集了2管深达月表以下13厘米的岩芯样本,之后他将回收用于太阳风成分实验的铝箔板。 

(左)奥尔德林正在进行岩芯采样;(右)阿波罗11号使用的采样管长这样(红色箭头)。来源:NASA 

    

  另一边,阿姆斯特朗精挑细选采集了一批月球岩石样本。 

阿姆斯特朗第三次采集的月面样本示例。来源:NASA 

  返回登月舱 

  北京时间721日下午13139(美东时间同天1139秒),完成任务的奥尔德林回到登月舱,8分钟后,阿姆斯特朗也回到登月舱。 

  131113(美东时间11113秒),舱外活动结束,登月舱门关闭。 

    

  14-24时:修整 

  吃饭,睡觉,做点准备工作…这一阶段对应于美东时间凌晨2点到中午12点。 

    

  0-2时:起飞 

  北京时间722日凌晨154(美东时间7211354分),登月舱点火起飞,离开月球表面。 

  此时,距离它与指令&服务舱分离,才刚过去24小时10分钟。 

  3个半小时后,它将与在此期间一直在月球轨道上一圈一圈飘荡着、等候着的指令&服务舱对接,然后正式启程回到地球。 

    

  结 语 

  在这短暂又漫长的24个小时里,人类在月球表面停留了近22个小时,其中出舱行走2.5个小时。 

  在这2.5个小时里,宇航员们争分夺秒地完成了月面拍照、月壤评估、太阳风成分实验、月震仪和激光反射棱镜的安装等一系列工作,这些遗迹至今保留在月球上,被后来的月球轨道器一再回顾。 


2012年,至今拍照最清楚的月球轨道器,月球勘测轨道飞行器LRO拍到的阿波罗11号遗址 来源:LROC 

  在这2.5个小时里的三次月面采样,共采集了22公斤月球岩石和土壤样本并带回地球。这些珍贵的月球样本至今仍是全世界的行星科学家们认识和探索月球的钥匙。 

阿波罗月球样品汇总。数据来源:NASA,整理:haibaraemily 

    

  在这24个小时里,全世界6.5亿观众通过电视直播,与宇航员们共同经历了人类第一次登月的忐忑、紧张和狂喜,一起见证了人类是如何在这短短的24个小时里,升华成了一种全新的、跨星球物种。 

    

  正如阿波罗11号登月舱起落架的铭牌上刻下的宣言: 

    

  HERE MEN FROM THE PLANET EARTH  

  FIRST SET FOOT UPON THE MOON  

  JULY 1969 A. D. 

  WE CAME IN PEACE FOR ALL MANKIND. 

  公元19697月, 

  来自地球的人类第一次踏上月球。 

  我们心怀和平、代表着全人类而来。 

 


图源:纪录片《阿波罗11号》 

    

  五十年前的今天, 

  这是属于全人类的高光时刻。 

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