“天眼”飞赴广寒宫

□ 迢柳娟

2011年9月10日，一对专门设计用来对月球进行引力测量的卫星，GRAIL（Gravity Recovery And Interior Laboratory），从美国卡纳维拉尔角空军基地出发，搭乘“德尔它”2型火箭踏上前往月球的3个月的旅程。美国航宇局表示，这对卫星的任务是以前所未有的精度测量月球各处的引力强度，这些测量资料结合以往阿波罗计划月震探测的数据，将有望加深人类对月球地质和内部构造的了解。

这对卫星价值5亿美元，每颗差不多相当于一台洗衣机大小，他们将执行首次绘制月球内核图像的任务。

这对卫星将在前往月球的路途中飞行3个月，在新年前后进入月球极地轨道。两台飞行器将一前一后飞行，计划是让它们利用重力工具绘制月球表面之下的地形，揭示出人们所不知道的月球内核中有些什么。此次任务还会让科学家了解未经探索的月球背面的情况，可能会告诉科学家是不是真有过另一个月球最终与现在的月球合并。

科学家们表示，GRAIL是首次测定月球内部结构的任务。在此前他们用重力科学尝试过了解月球内部正在发生些什么，但那些都是简单的尝试。如果把先前的尝试比作放大镜的话，GRAIL就是高性能显微镜。

GRAIL卫星抵达发射台

GRAIL卫星的徽标

美国航宇局局长博尔登（右）观看发射

科学家认为，月球是由一颗行星大小的物体撞入地球时形成的，撞击抛出大量物质，最终成为了这颗没有空气、荒凉的卫星。

尽管人类自上世纪50年代起实施过100多次研究月球的任务，并且有12个人在月表行走过，但月球在历史上如何升温、产生岩浆海并结晶，这些仍然是个谜。最近的一个假说认为曾经有两个月球，它们慢慢地合并成了一个，这一说法也可以在此次任务中进行检测。如果科学家们想重现月球的历史演变，当然就需要重现月球现在的温度构造。目前人们对于月球内部情况的准确了解还很少。有一个被广泛接受的观点认为月球内部有一个被液体铁核围绕的小型固体铁核，但这个观点未经证实。实际上很可能在月球内部深处的核心是氧化钛，这种物质可能从岩浆海中被抛出或者结晶，沉入了月球内部深处。

由于引力测量需要高精度的绕月轨道，因此允许GRAIL发射并在特定时刻到达月球，定点进入工作轨道的时间变得异常短，发射窗口只有1秒。GRAIL进入地球轨道后，将会使用和我国嫦娥一号类似的小推力变轨方式在数个月内缓慢飞向月球，这种方式可以保护卫星上精密的仪器，并允许卫星进入高度仅有50千米的绕月轨道。

GRAIL卫星发射升空

GRAIL艺术想像图

GRAIL卫星进行重力恢复试验

引力与距离的平方成反比，越接近天体的重心，引力作用就越强，对于月球这样的小天体，低轨道重力测量，将有助于增强引力不均匀对卫星轨道的影响，增加测量的精确度。

到达月球后，GRAIL的一对卫星进入同一绕月飞行轨道后会一直保持200千米左右的距离。运行过程中，如果其中一个卫星进入了引力异常区，它会被拉向另外一条轨道，而这种运动会改变两个卫星之间的距离。一条在卫星间传输的无线电测距信号组成的无形纽带使两个卫星组成一座测量月球引力的天平，两者之间任何的高度和方位变化都会被准确测量和记录，并将这些数据传送到几十万里之遥的地球。地面测控站也使用测距系统来测定卫星的位置，并校准卫星上的测量系统。在完成工作40天之后，这两颗卫星将撞入月球表面。此后对它们所收集到的数据进行科学分析预计将持续一年。

利用GRAIL卫星测量出的轨道变化数据，人们可以计算出月球表面的引力强度分布，绘制出和地球引力场模型类似的高精度月球引力场模型。

火箭二级吊装

整流罩内的GRAIL卫星

德尔它火箭的第一级和固体助推器

从光滑弹珠到粗糙桔皮

我们测量月球的引力，为什么能揭示月球坑坑洼洼的表面所掩蔽的内部秘密呢？让我们先从地球说起，从行星引力场的特性说起。在牛顿的《自然科学的数学原理》出版的年代，物理学家认为，天体附近的引力强度是均匀的，物体所受引力的大小只和它与天体重心的距离，以及物体和天体的质量相关。这个理论在很长一段时间内似乎毫无疑问，也符合从开普勒时代以来的众多天文观测数据。

可是人造卫星升空后，这个理论遇到了困境。卫星的轨道仅由引力、对地速度和阻力决定，但按照已知的引力理论和已知的大气模型计算出的卫星轨道，和实际测量结果总有微弱的区别，累积下来会使长期卫星轨道的预报失去价值，卫星测控难以进行。轨道的变化使卫星不时进入大气密度较高的区域并减速，最终导致卫星过早坠毁，影响卫星寿命。究竟是什么地方出了问题？

通过对这种误差的分析，天文学家发现地球引力场原来并不均匀。

地球并非一个均匀的岩石球。地球内部地幔和部分地核的运动，使大量高密度物质在地壳下缓慢流动，推动了上面的地壳板块运动。

同时，地壳本身也并不均匀，部分地区由于板块重叠或地下有大量金属矿藏等高密度物质，在局部地区集中了大量的质量。我们知道，引力和质量是成正比的，因此质量大的区域，引力也会相应增加。

数吨的人造卫星运行在几百千米的地球轨道上，地球微弱的引力不均匀产生的加速度对人造卫星轨道的影响，肯定远大于数十万千米外重达数十亿亿吨的月球。月球轨道因为地球引力不均匀产生的变化，远远小于人类当时仪器的测量误差，但人造卫星的轨道变化大得足以影响卫星的轨道预测。

GRAIL在清洁厂房中

测试太阳能帆版

了解地球引力场，对航天领域至关重要。为了研究地球引力场的不均匀状况，改善卫星轨道预测水平，美苏两国发射了一系列测地卫星。这些卫星带有激光反射镜和准确测量卫星轨道用的辅助无线电设备，通过地面站对它的轨道进行测量和计算，可以得到地球引力不均匀对各个卫星轨道影响的一系列数据。使用这些数据，人们可以建立一个以地球重心为中心的地球引力场模型。

在这个模型中，引力强度一致的点到地球重心的距离并非完全相同，和经典引力场理论中那个光滑如弹珠表面的模型完全不同，这个“引力地球”看起来更像一个表面凹凸不平的桔子。

精确的地球引力模型对卫星轨道设计和预测有重要意义，是延长卫星的使用寿命，并奠定卫星定位导航的基础。有了引力场模型，准确定位卫星、建立卫星何时经过某处上空的星历就成为现实。现在通行全球的GPS卫星定位系统以及同类系统，都是依靠这个地球引力模型来计算星历，结合测地卫星建立的地心大地坐标系来计算用户所在位置的。

前面我们已经提到，地球的引力不均匀与地壳及地球内部的地质构造有关，那么能否通过引力测量，得到关于地质构造的信息？

答案是肯定的。地表引力测量已是地质和矿产勘探的一项重要技术，在板块运动和地震研究中也起着重要作用。2002年，美国发射了一对GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）卫星，通过高精度地反复测量全球引力并测量其变化，计算地球表面和内部大量物质的移动，对地幔、板块和洋流运动进行长期跟踪，了解这些运动的规律。中国也计划发射一组类似的卫星，用于研究和地震有关的地下断层位置和变化情况。

从精确到更精确

与地球类似，月球也有引力异常区域。比如，苏联的月球10号探测器开始绕月飞行后，学者就从轨道实测数据和预测数据的差异发现，月球的引力场和地球类似，也是不均匀的。

1966年和1967年，美国发射多个月球轨道探测器，在拍摄月球表面的同时，地球测控站通过对卫星的精密测距，建立了月球的引力场模型。月球的引力场和地球相比较为均匀，但在几个撞击环形山附近，却出现了异常集中的高引力区，这被称为“质量集中区”。

这些数据最终用到了阿波罗登月飞船的导航系统中，使登月飞船能够完成百米左右的精确着陆——美国航宇局的数据表明，假设忽略月球引力不均匀的作用，登月飞船能够在预定点附近2千米范围内着陆就算了不起了。

但当时的月球引力测量还有很大局限。无线电波不能穿过月球，因此依赖无线电测距的轨道测量技术无法直接测量月球背面的卫星，探月卫星搭载的雷达高度计精度又不足以测量较弱的引力不均匀区带来的轨道变化。当阿波罗16号释放的小卫星在贴近月球表面数千米的轨道上因为引力不均匀带来的轨道变化坠毁后，人们就试图寻找更精确的可以应用于月球重力测量的技术，来进一步了解地球的这个忠实伙伴。

2007年日本发射了“辉夜姬”月球探测器，这个探测器除了月球成像摄影机等常规设备外，还携带了两个子卫星，一个作为无线电中继，地面可以使用无线电测量处于月球背面的探测器的轨道，另一个则由地面由多个射电望远镜组成的网络测量其轨道和信号，在提供引力测量结果的同时测量月球上空微弱的电离层，所得数据进一步提高了无线电测距引力测量的精度。

“辉夜姬”成功地在月球背面获取到与以往探测器精度接近的引力测量数据，但依赖地面测控系统的这种方式花费巨大，且始终局限于地面测控系统的精度。当GRACE卫星发射并成功运行后，研究者们看到了新希望。执行GRAIL任务的一对卫星就可以说是在月球轨道上运行的GRACE卫星。

和G R A C E一样，通过比较多组GRAIL测量的引力数据，可以追踪月球内部的质量移动，推测月球可能存在的软幔与核心的运动规律。这些数据对于研究月球结构、月球地质历史和起源，以及月球岩石中矿藏的分布都有重要意义，甚至可能用于未来的月球有人探索任务的导航和月面勘探。

GRAIL的测量结果也对以后的引力测量卫星有着指导意义。月球是一个结构较简单的天体，使用GRAIL的技术对月球进行测量可以进一步了解此技术的可靠性和局限性，提供改进技术和处理数据的数学模型的依据。同样的测量技术经优化后也可能用于其它天体的重力测量，比如太阳和其它行星。美国航宇局已经升空的“朱诺”木星探测器也将使用无线电测距对木星这个深不可测的气体行星的引力场进行测量，届时，GRAIL任务中的技术细节、数学模型等内容都可能用于对朱诺探测器的数据分析上。