美国宇航局为何热切期待看到火箭撞上月球

保罗·海恩是科罗拉多大学博尔德分校天体物理和行星科学系的助理教授。本文最初发表于《对话》杂志。

2022 年 3 月 4 日，一枚孤独的废旧火箭助推器将以近 6,000 英里/小时的速度撞击月球表面。一旦尘埃落定，美国宇航局的月球勘测轨道飞行器将移动到位，近距离观察冒烟的陨石坑，并希望能揭示行星撞击的神秘物理原理。

作为一名研究月球的行星科学家，我认为这次意外撞击是一个令人兴奋的机会。月球一直是太阳系历史的见证者，其布满陨石坑的表面记录了过去 40 亿年中无数次的碰撞。然而，科学家很少能看到形成这些陨石坑的抛射物（通常是小行星或彗星）。如果不知道陨石坑形成的具体原因，科学家通过研究陨石坑能学到的东西就很有限了。

即将发生的火箭撞击将提供一次偶然的实验，可以揭示许多有关自然碰撞如何冲击和冲刷行星表面的信息。对撞击物理学的深入了解将大大帮助研究人员解释月球的荒芜景观以及撞击对地球和其他行星的影响。

当火箭坠毁在月球上时

目前正朝着月球方向飞去的翻滚物体的确切身份存在争议。天文学家知道，该物体是从高空卫星发射中丢弃的上级助推器。它长约 40 英尺（12 米），重近 10,000 磅（4,500 公斤）。有证据表明，它可能是 2015 年发射的 SpaceX 火箭或 2014 年发射的中国火箭，但双方均否认拥有它。

预计火箭将坠毁在巨大的赫茨普伦陨石坑内的一片广阔荒芜平原上，该陨石坑位于月球背面距离地球的地平线上。

火箭接触月球表面后，冲击波会以每秒数英里的速度沿火箭弹体向上传播。几毫秒内，火箭弹体后端就会被炸成碎片，金属碎片向四面八方爆炸。

双冲击波将向下传播到月球表面的粉状顶层，即风化层。撞击的压缩将加热尘埃和岩石，并产生白热闪光，如果当时有飞船正好在该地区，从太空中就可以看到。一团由蒸发的岩石和金属组成的云将从撞击点扩散，尘埃和沙子大小的颗粒被抛向天空。几分钟后，喷出的物质将像雨点一样落回现在冒烟的陨石坑周围的表面。这枚命运多舛的火箭几乎什么也不剩。

如果你是太空爱好者，读到这样的描述时，你可能会有似曾相识的感觉——NASA 于 2009 年进行了一次类似的实验，故意将月球陨石坑观测和传感卫星（LCROSS）撞向月球南极附近一个永久阴影的陨石坑。我参加了 LCROSS 任务，这次任务取得了巨大的成功。通过研究被太阳光照射到的尘埃羽流的成分，科学家们发现了撞击过程中从月球表面释放出数百磅水冰的迹象。这是一个至关重要的证据，支持了这样一种观点：数十亿年来，彗星撞击月球表面时，一直在向月球输送水和有机化合物。

然而，由于LCROSS火箭的陨石坑永远被阴影遮蔽，我和我的同事们花了十年的时间才确定这个富含冰层的地下深度。

使用月球勘测轨道器进行观测

即将发生的撞击的意外实验将使行星科学家有机会在白天观察一个非常相似的陨石坑。这就像第一次看到 LCROSS 陨石坑的全貌一样。

由于撞击发生在月球的背面，地球上的望远镜无法看到它。但撞击发生约两周后，美国宇航局的月球勘测轨道飞行器将开始看到陨石坑，因为它的轨道将带它越过撞击区。一旦条件合适，月球轨道飞行器的相机将开始拍摄撞击地点的照片，分辨率约为每像素 3 英尺（1 米）。其他航天机构的月球轨道飞行器也可能将相机对准陨石坑。

陨石坑的形状以及喷出的尘埃和岩石有望揭示火箭在撞击时的方向。垂直方向将产生更圆的特征，而非对称的碎片图案可能表明它更像是腹部着地。模型显示陨石坑的直径可能在 30 到 100 英尺之间，深度约为 6 到 10 英尺。

撞击产生的热量也是很有价值的信息。如果观测速度足够快，月球轨道器的红外仪器就有可能探测到陨石坑内部的炽热物质。这可以用来计算撞击产生的总热量。如果轨道器无法足够快地观测到，高分辨率图像可以用来估计陨石坑和碎屑场中熔化物质的数量。

通过对比轨道器相机和热传感器拍摄的前后图像，科学家将寻找陨石坑表面的任何其他细微变化。其中一些影响可能延伸至陨石坑半径的数百倍。

为什么这很重要

撞击和陨石坑的形成是太阳系中普遍存在的现象。陨石坑会震碎行星外壳，逐渐形成松散的颗粒状表层，这在大多数没有空气的星球上很常见。然而，尽管这一过程很常见，但人们对其整体物理原理却知之甚少。

观察即将发生的火箭撞击及其产生的陨石坑可以帮助行星科学家更好地解释 2009 年 LCROSS 实验的数据并进行更好的撞击模拟。由于未来几年将有大量任务计划访问月球，因此对月球表面特性（尤其是地下冰的数量和深度）的了解需求很高。

无论这枚任性的火箭的身份如何，这次罕见的撞击事件都将提供新的见解，这可能对未来月球及更远地方的任务的成功至关重要。