问答 | 月球表面有不是圆形的坑吗？

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面对未知的宇宙，

人类永远是个好奇的孩子。

“不得了，天文知识增加了！”【第18期】

Q1：

书札【提问】关于星系或者某类星是怎么命名的，人类能买卖吗？

A：

不能。国际天文学联合会（简称：IAU）成立之后，它就成为了国际上唯一被认可的有权为恒星及各类天体分配与指定名称的机构。IAU不会出售命名权，也没有授权任何组织或机构为天体命名。

国际天文学联合会是唯一有权对各类天体进行命名的机构 /

天体命名有着确定的命名法则，恒星一般会使用拜耳命名法（一些特殊恒星会以发现者或者研究者命名），系外行星以恒星和行星位置协同命名。在各类天体中，小行星是唯一可以根据发现者意愿进行提名，经由IAU审核并批准进行命名的天体。

然而从上世纪80年代，就已经有些民间组织成立公司，向公众兜售恒星的命名权，随后国内外催生了大量组织以此盈利。虽然国际天文学联合会也屡次收到要求合作的骚扰，但作为国际科学组织，IAU始终对这一行为持否定态度。

从天文学家的观点来看，企业将星星命名售卖给民众是赤裸裸的欺诈行为（尽管现有法律并未对此作出判定），因为这些公司本身并不具备天体的命名权，也更无权售卖这些不存在的“商品”。

毕竟，这片天空属于每一个人。

【智能（zhàng）机器人：之前……（消声）】

Q2：

潘韵雅【提问】国际空间站是移动的，那轨道是怎样的？

A：

国际空间站(ISS)是目前人类仍在太空运行的最大的航天器了，其一端到另一端全长为109m。太阳帆板的双边翼展为73.1m，和空客A380客机差不多长。这个庞然大物在经过了42次发射后才于2000年组装完成。

ISS的结构图，图源NASA /

和其他航天器一样，ISS的运动受地球引力的支配，遵循开普勒三定律，因此它的轨道形状是一个椭圆。由于其偏心率很低（0.0002418），因此看上去和圆形基本没什么区别，可以认为它在绕地球做圆周运动。ISS一直保持在距地面418-421千米的高度上飞行，大约每90分钟就能绕地球一圈，一天能绕地球16圈，因此在上面生活和工作的航天员们一天里能看到16次日出日落。尽管如此，想要从地面到达ISS可没有那么快，过去飞船通常要绕地球飞行30多圈才能实现和空间站的对接，不过目前已经有了6小时抵达（绕地球4圈）的快飞模式，以及3小时抵达（绕地球2圈）的超高速飞行模式，最快到达ISS的纪录是2019年，俄罗斯“联盟MS”飞船创造的3小时3分。

ISS的轨道示意图，图源Heavens-Above /

可是我们作为普通人，有没有什么办法得知ISS的实时位置呢？德国宇航中心(DLR)开发了一个网站，叫Heavens-Above。网站上有ISS和其他航天器的实时位置信息，而且该网站还提供ISS的可见过境预报，我们可以根据上面提供的观测信息提前蹲点，用自己的眼睛看着ISS从自己头顶飞过。

Heavens-Above网站截图 / https://www.heavens-above.com/main.aspx

16秒延时曝光的ISS飞行轨迹，笔者2020.9.19摄于北京海淀区，ISS正在从织女星旁边飞过，下方偏右的星星是天津四 /

【智能（zhàng）机器人：好久没有这么一本正经的问题了一时间不知如何应对。】

Q3：

衿卓求【提问】月球上为什么有坑？

A：

如果我们用望远镜观测月球的晨昏线，很轻易就能发现一些环状的地貌，它们就是月球表面最重要的形貌特征之一——环形山。我们今天有时也明确地称这些“环形山”为“撞击坑”，但其实直到二十世纪初，人们都还在为这些“环形山”的成因不断争论。

长焦镜头下的月亮 / Dimi

十七世纪的科学家借助伽利略发明的望远镜开始了对月亮的观测，大量的环形山也同样吸引了他们的注意。对于“月球上为什么有这么多坑”这个问题，当时的人们几乎无一例外地认为是它们是火山喷发遗留下来的火山口，其中就包括大名鼎鼎的罗伯特·胡克。虽然他兼顾了火山成因和撞击成因的可能，并且将月球撞击坑分别与弹坑和沸腾石膏浆的表面进行了细致比较，但由于时代局限性，人们大都认为星际空间是空旷的，同时地球表面也缺乏小天体撞击的痕迹作为有效参考，使得胡克也得出了月球环形山是火山口的结论。

位于夏威夷的 Diamond Head 火山口 / Brian Snelson

对火山成因的信念一直持续到了二十世纪初期，一些科学家（如 G. K. Gilbert, 1893）也注意到“环形山”拥有一系列火山口可能不具有的特征：例如”环形山“从小到大（如下图），形貌逐渐从简单的碗型（如左图，为嫦娥五号着陆区旁边直径约460米的小坑）变得越来越复杂（如中图到右图，分别为~40公里的Aristarchus撞击坑与约330公里的东海盆地）；而月球“环形山”的深径比及中央峰特征往往也火山口所不具有的。

图片截取自https://quickmap.lroc.asu.edu/ /

然而，当时的人们普遍认为撞击成因存在一个致命缺陷：即月球的环形山几乎都是圆形的——当时观察炮弹和子弹击打在目标上的实验表明，只有接近垂直撞击才能形成圆形坑，但显然不可能几乎所有撞击体都几乎垂直地砸向月球（如果假设随机地入射，可以估计最有可能的角度是45°），因此这么多的圆坑只能是火山喷发的结果。

由于当时物理学对于高速碰撞的理解还不够深刻，因此上述认知在那个时代的确是符合直觉的。但随着对地球陨石坑（如 Meteor 陨石坑，下图左，来自 Science Photo Library）；核爆弹坑，如下图右，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室）以及月球环绕器获取影像的深入研究与形貌比对，撞击成因相关的实验与理论证据逐步完善。二十世纪中叶，撞击成因终于成为月球“环形山”成因的主流学说。

细致的地形分析让人们很容易区分地球火山口与月球撞击坑的形貌特征，但这只有在基于轨道器遥感的月球表面高程模型出现后才得以可靠地实现 / http://sites.oglethorpe.edu/mrulison/astronomy-web-lecture-notes/chapter-8-moon-mercury/）

值得一提的是，为了训练阿波罗任务的宇航员，美国曾在亚利桑那州用炸药1：1地复制了一片月球静海的地貌，这正体现了爆炸过程与高速撞击过程的相似性。

左为复原地貌的航拍，右为静海对应区域的遥感影像，视频地址：https://astrogeology.usgs.gov/rpif/videos/making-craters，可直接空降9:20看爆炸现场

撞击成因学说的确立，正使得月球上大量的“环形山”，成了行星际空间中从古自今都存在着大量小天体的直接证据，月球也成为了记录太阳系演化历史的重要“化石”。除此之外，撞击坑还是了解月球地质的重要“窗口”：撞击坑的密度可以作为地块的定年依据；撞击坑的形貌可以反映当地物质的物理特性；撞击坑的挖掘过程也仿佛是一把天然的“钻”，为研究者提供月球表面之下物质的信息。

【智能（zhàng）机器人：下一个问题：两脚兽的脑壳为什么也有坑？】

Q4：

嫦娥4号【提问】为什么月球的陨石坑是圆形？

A：

陨石体同月壤碰撞，形成一个个陨石坑，虽然边缘参差却大致都是圆形。然而当我们观察生活中的低速撞击时，其形成坑的过程其实就是撞击体将被撞击的物质机械地推离原有的位置，那么由撞击体传递给被撞击体的速度必然来自撞击体自身（也就是动量守恒地发生交换）。这样的话，一个倾斜的撞击体必然形成一个显著不圆的撞击坑。（如下图所示，Nguyen et al., 2015，10.1007/s00170-014-6514-z）

新智彗星 / 见水印

但一些科学家很快敏锐地发现，天体间的高速撞击，在秒速数公里到数十公里的量级，可能拥有完全不同的物理图像。E. J. Öpik在1916年指出这样的高速撞击成坑其实可能更接近爆炸成坑的过程（但他把文章用俄语投稿在了一本爱沙尼亚期刊上并只附了法语摘要，因此并没有受到主流学界的关注），之后的学者在二十世纪初增加的爆炸实验与行星观测中进而逐渐意识到了高速撞击就算倾斜入射，也大部分形成圆坑这个事实。

简单地理解高速撞击的情况，撞击体在接触目标的瞬间，主要在垂直方向上与目标发生剧烈作用，产生类似从一个点爆炸的效果，撞击坑破碎和挖掘的主角正是来自这一“爆炸”中心的在各个方向相对均匀的冲击波与其驱动的物质流，这使得更多入射角度都能产生近似圆形的撞击坑。

倾斜撞击接触过程的示意图，尽管入射角会使得整体成坑产生不对称性，但最终坑的圆度远没有低速撞击变化明显。（译自 Impact Cratering: A Geologic Process, by H.J. Melosh, 1989）

Elbeshausen et al., 2009, 10.1016/j.icarus.2009.07.018，对不同入射角（α）和不同材料强度（f，实际为仿真时颗粒间的摩擦系数）的高速撞击进行的模拟，可见在很大入射角范围内，都可以得到较圆的撞击坑

【智能（zhàng）机器人：月亮对流星许愿：我想要圆圆的脑坑，流星说：好马上就来。】

Q5：

Dimi【自问自答】那么月球表面有不是圆形的坑吗？

A：

有许多。最为典型的例子是月球正面的席勒环形山（Schiller）。它尺寸较大，可以在望远镜辅助下观测。另外，还有很多二次撞击由于低角度与慢速入射，也可以形成椭圆形的撞击坑。

以下图片为Schiller撞击坑的位置与遥感影像，图二周围的坑被左右拉长是等距柱投影导致的 / https://quickmap.lroc.asu.edu/

【智能（zhàng）机器人：啧啧，都学会自问自答了……】

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感谢奇怪天文知识智囊库的倾囊相助 / Dimi 徐鹏晖

科学审核 / 苟利军

策划 / 黄京一 怀尘 编辑 / 怀尘 猫又

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