引子
有新聞報道，我國計劃於 2020 年左右發射嫦娥四號探測器，該探測器將登陸月球的背面。一旦任務成功，嫦娥四號將成為人類第一個在月球背面登陸的探測器。消息傳出，引起太空探索愛好者的極大關注。為什麼嫦娥四號會選擇去月球背面著陸，關於月球背面一些流傳已久的預言是否屬實？月球背面還隱藏著哪些未解之謎呢？我們今天就來一次大揭秘，掀開月球之背的神秘面紗。
傳說中的外星人基地
一直以來，我們經常會聽到有關於月球背面的各種傳言。很多科幻小說聲稱，月球背面是外星人的基地，從月球背面圖像中可以識別出外星人的宇宙飛船，甚至美軍在二戰末期失蹤的轟炸機也出現在了月球背面，在百慕達失蹤的飛機輪船也都被外星人劫持到了月球背面。他們聲稱，阿波羅登月的太空人在月球背面見到了令人吃驚的物體，可能是外星人在月球上的遺留物，等等。也有傳言認為，月球內部是空心的，裡面是外星人居住的巨大城市。這些以訛傳訛的傳言經過不斷演繹，甚至堂而皇之地登上了正規出版物，讓人難辨真假。
出現這些傳說的根源在於從地球上觀測月球時，看不到月球背面絕大部分區域。因此，在沒有月球探測器之前，月球背面一直是一個神秘的未知世界。現在民間流傳的月背傳說，多源於太空飛行器探月之前。但即便在太空飛行器數十次飛臨月球背面，獲得大量影像資料之後，科幻迷們仍然能從放大後略顯模糊的圖像中找到線索，為這些傳言提供佐證。月球為什麼會出現正面和背面
月球背面之所以顯得神秘，原因在於我們無法從地球上直接觀測到月球背面。但月球為什麼會出現正面和背面？
首先要從月球的運動說起。月球可以被視作一個剛性的球體，它的運動可分為質心的運動（公轉）和環繞質心的轉動（自轉）兩部分。
在研究月球的質心運動時，我們通常將月球和地球近似視為全部質量集中在質心的質點，並且只有彼此相互吸引的引力作用，構成地月系統。從慣性坐標系內觀察，地月二體系統的公共質心繞太陽公轉，月球和地球又分別繞它們的公共質心作相互轉動。根據二體運動理論可知，月球圍繞地球質心作平面橢圓軌道運動，月球和地球的赤道與其軌道的幾何關係見圖 1，其中，月球赤道與月球軌道面的夾角為 6 度 41 分；月球軌道與黃道的夾角平均值為 5 度 9 分，夾角的變化範圍 4 度 57 分~5 度 19 分。
月球繞地球的旋轉軸和軌道幾何關係
由於地球由西向東自轉，所以天體都是從東方升起到西方落下。月球也不例外，我們每天看到的月球東升西落，實際上是月球繞地球在星座間自西向東移動，反映了地球的自轉運動。月球繞地球一周經歷的時間稱為一個「恆星月」，歷時 27 天 7 小時 43 分 11.47 秒。之所以稱為「恆星月」，因為這是以恆星定標的，即月球從某顆恆星的近旁出發，又返回到該星附近同一位置的時間間隔。月球在自己的軌道上繞地球運行的平均速度為 1.02 千米 / 秒。平均每天東移 13 度。因此，月球每天升起的時間是不同的，有時候白天升起，有時候晚上升起，升起時間平均每天比前一天推遲 50 分鐘，一個月之後，又恢復原來的升起時間。
月球背向地球的半球離地球較遠，受到的地球引力較面向地球的半球小，即月球的腹背受力是不同的。如果月球自轉周期與繞地球的公轉周期不相等，那麼月球上同一部位受到的地球引力是隨時間變化的，將導致月球不同岩層之間摩擦，逐漸減慢自轉的速度，最終使得月球自轉的周期恰好等於它繞地球公轉的周期，即月球被地球的引力潮汐鎖定。潮汐鎖定後，從地球上看月球，就永遠只能看到月球的一面。
由於月球的天平動，月盤邊緣區域有時候會露出一點點側背。總體上，從地球上可以觀測到整個月球表面的 59%。
月球背面不神秘
既然地面觀測看不到月球的背面，那怎樣才能看到月球背面呢？月球背面究竟是什麼樣的？背面和正面又有何差異？
迄今為止，還沒有太空飛行器登陸過月球背面，但科學家並不缺乏月球背面的探測數據。1959 年，蘇聯發射的月球 2 號探測器在飛越月球時，第一次拍到了月球背面的圖像。上世紀六七十年代，美國和蘇聯的月球探測器多次獲得了月球背面圖像，阿波羅 8 號太空人、以及之後登月的阿波羅太空人都飛到了背面，從月球上空親眼看到了月球之背的荒涼景象。
21 世紀以來，美國、中國、印度、日本、歐洲的月球探測器對月球進行了更高解析度的詳細探測。2009 年 6 月 19 日發射的月球勘測軌道器（LRO）已經獲得了解析度優於 1 米的全月球影像，可以清晰辨認出阿波羅登月時遺留在月球表面的月球車、登月艙等，當然也包括月球背面的高清影像。除登陸月球的著陸器和月球車外，月球探測器大多採用極軌方式運行，即從北極往南極再飛回北極。因此，每一圈飛行中都有半圈在月球背面，半圈在月球正面。
自 2003 年以來的 12 年中，已經有包括嫦娥一號、二號、三號在內的 11 個月球探測器飛臨月球，獲得了月球背面的大量探測數據，包括地形地貌、物質成分、表面環境等詳細信息。
遺憾的是，所有這些探月任務都沒有在月球背面發現外星人的基地，也沒有發現任何人工建築物或人為活動的痕跡。月球背面看起來只是一片保存了 40 億年之久的荒涼大陸。
整體上，月球表面可分為月海和月陸兩大地理單元。
月海是指月球上大片顏色較深的黑斑區域，實際上是一些寬廣的平原，一滴水也沒有。這些區域對太陽光的反射比較弱，看上去比周圍更暗一些，很像地球上的海洋，約占月表面積的 17%。月球上共有 22 個月海，其中 19 個分布在月球的正面，包括雨海、靜海、雲海、冷海、風暴洋等，約占整個正面半球表面積的一半，北半球的月海分布尤為顯著。月球背面只有東海、莫斯科海和智海等 3 個月海。
月海是月殼形成後，內部岩漿湧出月表，填充低洼盆地後形成的大型平原。月海平原大多為山脈所包圍，類似於地球上的盆地，具有圓形封閉的特點。最典型的例子是雨海，其四周環繞著亞平寧山脈、高加索山脈、阿爾卑斯山脈、朱拉山脈和喀爾巴阡山脈。月海的地勢比月陸要低得多，如靜海和澄海比月球平均水準面（為一等勢面，其平均半徑與採用雷射測高得到的月球地形平均半徑相等）約低 1700 米，濕海低 5200 米，最低的是雨海東南部，其最深處比月球平均水準面低 6000 多米。月海中也常見到一些突起的山嶺，包括弧形海嶺、呈對角線分布的海嶺和脈狀不規則海嶺。
除月海外，月球上顏色較淺的部分類似地球上的「陸地」，稱為月陸。根據月球形成的大碰撞學說，46 億年前，一顆火星大小的天體撞擊原始地球，撞擊拋射物質在地球軌道形成了月球。月球形成後出現全球性的岩漿熔融，熔融岩漿在冷卻過程中發生結晶和分異，密度較重的物質被下沉到月幔，而密度較輕的物質漂浮在月球表面，冷卻凝固後形成了古老的月殼。月海則是在月殼形成後，從月殼裂縫中湧出的岩漿形成的。因此，月陸比月海更古老。
月陸的主要成分是密度較輕的斜長岩，反射率較高，看上去比較明亮。月陸的地勢一般高出月球水準面約 2~3 千米，所以也稱月球高地。整體上，月陸面積約占月球表面積的 83%。月球正面的月陸與月海面積大致相等，但月球背面月陸占據著絕對主導地位。
不管是月海還是月陸，整個月球表面都分布著密密麻麻的撞擊坑，記錄著 40 多億年來小天體撞擊月球留下的痕跡。月球表面越古老，撞擊坑分布密度越大。月陸的撞擊坑密度更高，地形更崎嶇。因此，嫦娥四號的著陸區選擇將是一個亟待解決的重要問題。
月球正面和背面的比較。正面以地形平坦、月海居多，背面顏色較亮，月陸居多，撞擊坑分布密度也比正面高，地形更崎嶇（YC）。
月球表面的岩石類型比地球上要簡單得多，在變質岩、火成岩和沉積岩三大岩石類型中，月球上只有火成岩。月海主要是玄武岩，月陸主要是斜長岩，都是由各種矽酸鹽礦物和金屬氧化物組成，主要包括氧、矽、鐵、鈣、鋁等元素。
一些人看到嫦娥一號和二號衛星拍攝的月球照片都是黑白的，就問為什麼不拍一些月球的彩色照片回來，可實際上黑白灰才是月球的真實顏色。嫦娥三號著陸器和玉兔號月球車包裹著金色的薄膜和鮮艷的五星紅旗登上了月球表面，中國人終於在月球上拍到了彩色照片，滿足了給月球拍彩照的心愿。
嫦娥三號著陸器上的相機拍攝的「玉兔」號月球車
玉兔號月球車上的全景相機拍攝的著陸器
為何去月球背面
早在 1972 年，阿波羅 17 號完成人類最後一次登月之後，阿波羅 17 號太空人，也是一位唯一登月的地質學家哈里森·施密特曾建議阿波羅 18 號飛船登陸月球背面，到齊奧爾科夫斯基撞擊坑開展科學考察。遺憾的是，阿波羅計劃實現六次登月之後，產生方向性迷失，實現第七次登月的意義與首次登月不可同日而語，加之技術難度比登陸月球背面要大得多，阿波羅計劃就此終止，登陸月球背面的設想沒能最終實現。
登陸月球背面比登陸正面究竟難在何處？在月球背面飛行和著陸的探測器，由於月球本身的阻擋，不能直接和地面進行無線電通信。地面控制人員無法了解到飛船的運行狀況，也無法把測控信號傳輸給飛船進行各種操作。如果是飛行在月球上空數十至上百千米高度的探月衛星，在通信中斷的情況下，還可以依照慣性保持原姿態繼續飛行。若是月球車或者登月艙要成功著陸在月球背面，需要實時測量飛行軌道，發送測控信號以調整降落速度和著陸姿態，才能實現安全著陸。因此，要確保嫦娥四號在月球背面安全著陸，首先需發射一顆中繼衛星，建立探測器和地面之間的通信聯繫，通過中繼衛星傳輸數據和發送測控信號。
對天文學研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠天體發出的射電輻射，是研究天體(包括太陽、行星及太陽系外天體)的重要手段，稱為射電觀測。由於這些天體的距離遙遠，電磁信號十分微弱，在地球上，日常生產生活的電磁環境會對射電天文觀測產生了顯著干擾。所以天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區，監聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號，因而可以監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，為研究恆星起源和星雲演化提供重要資料。
除此之外，月球背面更為古老，保留著更為原始的狀態，具有不同於月球正面的地質構造，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。而地球上經歷了多次滄海桑田，早期地質歷史的痕跡早已消失殆盡，我們只能寄望於從月球上仍保存完好的地質記錄中挖掘地球的早期歷史。
在月球背面探測方面，地形測繪仍然是基礎目標。與月球正面著陸區不同，月球背面的探測對象和科學目標也將有所改動。比如，用於觀測地球等離子體的極紫外望遠鏡，在月球背面將無法再看到地球；月球塵埃作為月面探測面臨的首要環境問題，是未來月面探測的關注點之一。
此外，美國宇航局的科學家們也正考慮在月球背面軌道上建立一個永久空間站，具體位置擬選取在地月之間引力平衡的位置——五個拉格朗日點之一的 L2 點。位於該處的空間站不需要額外的燃料消耗維持軌道，易於保持穩定，可以作為載人深空探測的前哨基地。
嫦娥二號 7 米解析度月球背面影像