50年前的今天，月球上的24個小時

最新 07-20

　　來源：中國科普博覽

　　50年前的今天，美東時間7月20日13時17分39秒，無數人聚集在電視機前，忐忑不安地等待著。

　　這是阿波羅11號飛船上的第5天，自發射起，它已經飛行了100個小時12分鐘。

　　在一天前進入環月球軌道之後，此時的阿波羅飛船正在第13圈環繞月球，兩名宇航員——尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林——也已經進入登月艙中等待，另一名宇航員邁克爾·柯林斯將在此後的20多個小時里一直獨自停留在指令艙中接應。

阿波羅11號的三位宇航員：尼爾·阿姆斯特朗、邁克爾·柯林斯和巴茲·奧爾德林。來源：NASA

　　Part.1 0-2時：分離

　　而遠隔了半個地球的中國大陸上，此時正是北京時間1969年7月21日凌晨1時44分0秒。

　　阿波羅11號的登月艙（LM）與指令&服務艙（CSM）分離。

來源：紀錄片《阿波羅11號》

　　阿波羅載人飛船由三個部分組成：指令艙、服務艙和登月艙（LM），而在最終抵達地球之前，指令艙和服務艙始終連接在一起，合稱為指令&服務艙（CSM）。

阿波羅11號飛船的結構。改編自：維基

　　阿波羅11號的登月艙叫做「鷹號」，指令艙叫做「哥倫比亞號」。

　　實際登月的時候，只有登月艙會降落到月球表面，而指令&服務艙會一直停留在月球軌道上。

　　Part.2 2-4時：降軌

　　北京時間7月21日凌晨3時8分14秒（美東時間7月20日15時8分14秒），登月艙（LM）點火進入下降軌道。

　　這是一個近月點距離月球表面15.7公里、遠月點距離月球表面105.9公里的大橢圓軌道，也是2個月前的阿波羅10號曾經「綵排」過的軌道。

　　2個月前，阿波羅10號的兩位宇航員斯塔福德和塞爾南駕駛登月艙「史努比」與指令艙「查理·布朗」中的宇航員楊，聯合測試了除了登陸月表以外的所有項目。

來源：NASA

　　此時的阿波羅11號登月艙正位於月球的背面，與地球的信號處於中斷狀態。宇航員們將利用這段時間調整下降參數和姿態，等待飛回月球正面的時刻。

　　44分鐘後，準備動力下降的登月艙打開降落雷達。

　　Part.3 4-6時：著陸

　　北京時間7月21日凌晨4時5分5秒（美東時間7月20日16時5分5秒），登月艙開始動力下降。

來源：紀錄片《阿波羅11號》

　　北京時間7月21日凌晨4時17分39秒（美東時間7月20日16時17分39秒），經過12分多鐘的動力下降，阿波羅11號登月艙「鷹號」終於帶著兩名宇航員成功著陸在遠在地球38萬公里之外的月球表面——月球正面的靜海基地。

底圖：LROC，製圖：haibaraemily

　　『Houston， Tranquility base here。 The Eagle has landed。（休斯頓，這裡是靜海基地。鷹號已著陸。）』

來源：NASA

　　而收到宇航員們報平安的消息之後，地面站的工程師們回復道：『謝謝你們！我們終於可以正常呼吸了！』

來源：紀錄片《阿波羅11號》

　　這話一點也不誇張。

　　從1957年提出C-1火箭（也就是後來的土星一號），到1967年土星五號AS-501飛行測試的成功，為了能夠製造出足夠把人類送上月球的強大運載火箭，美國在與時間（以及蘇聯）賽跑的過程中經歷了無數失敗，還失去了阿波羅1號三名宇航員寶貴的生命；

　　徘徊者號系列任務、勘測者號系列任務、月球軌道器系列任務、水星計劃、雙子星計劃…為了能為登月做好充分的準備工作，美國人盡一切努力了解月球、培訓宇航員。

　　即使在阿波羅11號隨著土星五號火箭成功發射，成功抵達月球軌道之後，行百里者半九十，著陸的時刻會發生什麼，誰也不知道。

　　就這樣，無數地球上的人們和兩名宇航員一起，經歷了驚心動魄的12分鐘降落時光：

5次程序警報響起，更要命的是宇航員對這個警報是啥意思一臉懵逼；
鷹號提前飛過了預定著陸點，只能繼續往前飛行，重新尋找合適的著陸點；
自動導航不夠給力，宇航員們不得不切換成手動飛行來掠過一個致命的隕石坑；
最終著陸的1分11秒之前，登月艙已經發出了低燃料警報；
……

　　但最終，在經驗豐富的指令長尼爾·阿姆斯特朗的冷靜（？）操作之下，鷹號在僅剩的一點燃料下安全著陸月面。

　　所有的努力，在這一刻得到了回報。

　　至於阿姆斯特朗童鞋實際上有多緊張，阿波羅飛船上的心率測量出賣了他——著陸月表的時刻，阿姆斯特朗的心率飆升到了156。

來源：紀錄片《阿波羅11號》

　　Part.4 6-10時：準備

　　登月艙內準備和修整。

　　Part.5 10-12時：出艙

　　北京時間7月21日上午10時51分16秒（美東時間7月20日22時51分16秒），著陸6個半小時之後，尼爾·阿姆斯特朗走出登月艙，開始走下梯子。

　　4分鐘後，阿姆斯特朗將人類的第一個腳步踏上月球。

　　『That『s one small step for a man…one giant leap for mankind。

　　這是個人的一小步，卻是人類的一大步。』

　　一看這渣畫質就知道是阿波羅著陸腿上的相機拍攝的…雖然有一部分影像在2009年做了做了後期修復重建。來源：NASA

　　20分鐘後，北京時間7月21日上午11時11分57秒，第二名人類——巴茲·奧爾德林也走出了登月艙。

　　事實上，如今的我們常看到的阿波羅11號宇航員出艙的高清照片，絕大多數都不是登月第一人阿姆斯特朗，而是第二人奧爾德林——因為這是先下來的阿姆斯特朗為奧爾德林拍攝的。

奧爾德林走下梯子，埃姆斯特朗的相機真的是清楚多了。來源：AS11-40-5866

　　這枚著名的登月腳印，也是奧爾德林的。

來源：NASA

　　再然後，他們在全世界的注視下豎起了美國國旗，與白宮的總統對話…在大多數阿波羅11號的介紹里，故事到了這裡，差不多就已經結束了。即使是在《登月第一人》這樣的電影里，阿姆斯特朗登上月球，欣賞了一會兒景色，然後鏡頭一轉，就動身回地球了。

　　活著踏上月球表面，似乎已經是整個阿波羅11號任務的成功，之後發生了什麼？反正我們都知道他們也都活著回來了…

　　然而，作為人類第一次月面科學考察，兩名宇航員的工作才剛剛開始。

　　第一次樣本採集

　　事實上，早在奧爾德林還沒有出艙的20分鐘里，阿姆斯特朗就已經高效地完成了一波月面初步考察：安裝了相機、對月表進行拍照，以及展開了第1次月球樣本採集（Contingency Sample）。

阿姆斯特朗第一次月面採樣。來源：阿波羅著陸腿上的相機拍攝

　　這種看著像打高爾夫球似的動作，其實是宇航員在「撈」樣品。

第一次月面採樣發生於北京時間上午11時5分58秒-9分8秒這三分多鐘里，阿姆斯特朗共採集了約1公斤月球樣品裝入塑料袋中。來源：NASA

　　而奧爾德林的加入，讓接下來的探測變得更加緊張有序。

　　太陽風成分實驗

　　太陽一直在向外釋放高能帶電粒子，也就是「太陽風」。幸運的是，地球的磁場能夠屏蔽絕大部分太陽風（除了極區），保護了地球的大氣，也保護了地球上的生命。而幾乎沒有磁場和大氣層的月球就不一樣了，太陽風可以長驅直入，直接轟擊月球的表面。

　　為了探測太陽風的成分，奧爾德林開展了太陽風成分實驗。

　　北京時間7月21日上午11時35分20秒（美東時間7月20日23時35分20秒），奧爾德林開始在距離登月艙約6米外的地方立起一面「旗子」——一塊1.4×0.3米的鋁箔板。這塊鋁箔板將在月球上停留77分鐘，把打上去的太陽風粒子收集起來，然後由宇航員拆下來帶回地球。

（左）奧爾德林安置的鋁箔板；（右）太陽風成分實驗示意圖。來源：NASA

　　事實上，除了阿波羅11號，此後的阿波羅12號、14號、15號和16號也開展了相似的太陽風成分實驗。

　　第二次樣本採集

　　大約17分鐘後，阿姆斯特朗開始了第二次樣本採集（Bulk sample），持續約14分鐘。第二次採樣對具體的月岩類型選擇沒有什麼要求，只需要採集大量的樣本可以帶回地球研究就可以。

第二次採樣所用的鏟子和採回的樣品示例。來源：美國國家航空航天博物館&NASA

　　Part.6 12-14時：安置科學儀器

　　好不容易來一趟月球，科學家們恨不得把地球上的儀器都讓宇航員們帶上，然而由於重量的限制…這是不可能的

　　而且由於是第一次著陸，考慮到月面行走的安全，阿波羅11號帶的科學儀器尤其少——此後的幾次阿波羅任務均安置了4-6種科學儀器，但阿波羅11號只帶了2種——激光反射稜鏡和被動月震儀。

　　北京時間7月21日中午12時25分38秒（美東時間同天0時25分38秒），奧爾德林從登月艙中取出儀器。

圖中還可以看到用於太陽風成分實驗的鋁箔板。來源：NASA AS11-40-5931

　　奧爾德林：左手一台月震儀，右手一台激光反射稜鏡，開開心心提著去安上。

來源：NASA

　　此後的10分鐘里，兩台儀器先後被安裝在月球表面。

　　激光反射稜鏡

　　激光反射稜鏡是一種原理非常直觀的觀測手段：通過在月球正面安置稜鏡，從地球上向稜鏡發射激光並接收反射回來的激光，通過激光傳播時間就可以推算每個時刻地球和月球之間的距離和變化。

阿波羅11號在月球上安置的激光反射稜鏡陣列（左）和揭開黑色蓋子之後的樣子（右）來源：NASA&美國國家航空航天博物館

　　阿波羅11號之後，NASA的阿波羅14、15、17號載人登月任務和蘇聯的月球17、21號無人登月任務均在月面安裝了一台激光反射稜鏡。

　　由於幾乎不需要後期維護（此處月震儀哭暈在廁所），這些安裝在月球正面的激光反射稜鏡陣列可以長時間工作，幫助我們在幾十年的尺度上持續監測地月之間的距離變化，並推算與之相關的地球物理參數。我們熟知的月球正在以3.8 厘米/年的速度遠離地球，這就是月面激光反射稜鏡告訴我們的。

　　至今仍在工作中的阿波羅月面激光反射稜鏡也成為了今天的我們見證阿波羅登月真實性的鐵證之一——2018年1月22日晚，中國科學院雲南天文台團隊利用1.2米望遠鏡激光測距系統，多次成功探測到阿波羅15號月面激光反射稜鏡返回的激光脈衝信號，成功實現了我國首次月球激光測距。

（左）人類迄今為止安裝在月球上的所有激光反射稜鏡位置。來源：NASA；（右）雲南天文台1.2米望遠鏡進行的激光測月觀測和觀測結果。來源：雲南天文台

　　月震儀

　　阿波羅11號攜帶的是被動月震儀套裝，所謂「被動」嘛，就是自己不生產月震，只在月球感覺到震動的時候測一下。既然有被動月震觀測，當然也就有主動月震觀測——後來的阿波羅14和16號任務的宇航員在月球上安裝了主動月震觀測裝置，並人工製造了幾次月震。

奧爾德林在裝配（左）和調整（右）月震儀來源：NASA

　　在月震儀被安裝上不久，北京時間7月21日中午12時40分39秒（美東時間同天0時40分39秒），地球上的科學家們就已經收到了阿波羅11號月震儀傳回的第一份被動月震數據——宇航員們月面活動產生的月震。

來源：紀錄片《阿波羅11號》

　　和激光反射稜鏡一樣，月震儀也同樣可以在宇航員們離開月球之後長期繼續工作，不過可惜的是，阿波羅11號安置的月震儀僅僅工作了三周就壞了，遠沒有後來阿波羅12、14、15、16、17號安置的月震儀那麼堅挺——後4台月震儀一直工作到了1977年才由於經費和供能的雙重原因被終止。在此期間，這些月震儀記錄下了共12558次月震（包括9次人工月震），大大幫助我們認識了月球的內部結構。

（左）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀，Apollo 17處安置了一個重力儀（Kawamura et al。，2015）。（右）月球內部結構（Wieczorek et al。， 2006），近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。