在火星上「賞月」是怎樣的體驗？
中秋將至，當我們在地球上「舉頭望明月」時，我國「天問一號」火星探測器正在飛赴太陽系中的那顆紅色星球。
你有沒有想過，在火星上 「賞月」會是怎樣的體驗？
畢竟，月亮是地球的天然衛星，火星也有，而且還有兩個。迄今為止，人類還從未登上過火星。然而，天文學家對到火星上仰望星空時的景象，卻已一清二楚。
地球只有一個月亮，火星卻有兩個；地球的月亮又大又圓，火星的「月亮」又小又醜；地球的月亮離地球那麼遠、繞地球轉得那麼慢，火星的「月亮」卻離火星那麼近、繞火星轉得那麼快……
如果，有朝一日，人類可到火星上去「賞月」，所見到的究竟是一番怎樣的景象呢？
以人們業已掌握的天文知識為指南，即使足不出戶，也能對火星上的 「月色」了如指掌。平心而論，在地球上賞月和在火星上「賞月」可說是各有千秋。
火星「小月亮」，天上的兩個小山包
先來認識一下火星的兩個「小月亮」——它的兩顆天然衛星，火衛一和火衛二。
自1877年美國天文學家阿薩夫·霍爾發現火星有兩顆衛星之後，在長達90年的時間裡，除了距離和公轉周期等運動數據外，人們對於它們的其他情況一無所知，就連它們的確切大小都不知道。即便用最好的天文望遠鏡觀測，它們也只是緊挨著火星的兩個幽暗的小光點而已。
人們只能斷定它們很小，可是究竟是多小呢？對此，人們只能做一些粗略的估計。例如，假定它們反射光線的能力一如月球，那麼就可根據它們的總亮度估算出它們的體積。
1956年，旅美荷蘭天文學家柯伊伯用這種方法估算出火衛一的直徑約為12千米，火衛二的直徑則約為6千米——它們就像在火星上空飛翔的兩座山。1969年，飛向火星的「水手7號」探測器拍攝下了正好運行到它與火星之間的火衛一。結果人們發現，火衛一暗得出乎意料，它反射光線的能力比之前預計的更弱。所以，它的個頭必定比柯伊伯估算的大很多，才會像人們所觀測到的那麼亮。後來，天文學家又查明，火衛二亦如火衛一那麼暗，因此它也比柯伊伯估計的要大一些。這兩顆衛星的外觀有如某些石質隕星，可它們的構造看起來與火星全然不同。
兩顆火衛的外形都很不規則，根本就不是一個球，這點人們倒是料到了。因為，像地球或者月球這樣的大天體，在自身引力作用下，其所有各部分的物質都儘可能地向中心靠攏，自然而然就成為球狀。然而，像火衛這樣的小天體引力場極弱，以至於不能使其全部物質都緊湊地團聚在一起，因此依然保持著不規則的外形。
1971年5月30日發射的「水手9號」火星探測器則直接為這兩顆衛星拍攝下了許多照片。結果發現，每一顆衛星沿著不同的方向測量，其長度皆不相同。而且，它們的體積真的很小，倘若我們把月球完全掏空的話，那就需要380萬個火衛一緊密地擠在一起才能填滿它，或者用2000萬個火衛二來填充。
假如火衛一和火衛二的物質密度都同與其相似的那類隕星相當，即約2克/立方釐米，那麼根據這兩顆衛星的體積與密度，就可計算出火衛一的質量約為月球質量的690萬分之一，火衛二的質量則約為月球的3000萬分之一。
根據這些衛星的質量和直徑，還可推算它們的表面重力。火衛一的平均表面重力僅約為地球的萬分之6.3，火衛二的平均表面重力僅為地球的萬分之3.6。這就意味著，在地球上體重為70千克的人，如果站在火衛一的表面，那麼他的體重就只有約44克，站在火衛二的表面則僅為25克左右。
更有意思的是，一個人如果在火衛上到處行走，那麼他的體重就會明顯地隨時變化。因為火衛一和火衛二的形狀都拉得相當長，所以離其中心最遠的長軸末端處表面重力最小，離中心最近的短軸末端處表面重力最大。例如，上文提到的那個人在火衛二上旅行，那麼當他到達火衛二的長軸末端時，體重就會降至18克以下，走到短軸末端時又會升到32克以上——體重的變化幾乎達到兩倍。
不過，一旦太空人們當真在火衛上著陸，他們將會發現自己幾乎完全處於失重狀態。因為兩顆火衛的逃逸速度小得微乎其微——僅為數米每秒，因此太空人可以輕而易舉地脫離這兩顆衛星。
脫離火衛固然容易，但要擺脫火星本身的引力桎梏卻難得多。在火衛一所處距離上,火星的逃逸速度仍高達3千米/秒；而在火衛二那裡，火星的逃逸速度也有1.9千米/秒。所以，太空人們稍一使勁就能離開火衛一或火衛二，但他們的速度尚需加快三四百倍才能脫離火星引力的羈絆。否則，任何東西一旦脫離那兩顆火衛，就會成為一個在環繞火星的軌道上運行不已的新衛星。
先來看火衛二 蒼穹一掛兩天
既然火衛們與月亮差別如此之大，那麼在火星上「賞月」肯定會有許多奇特體驗。先來看看火衛二。
長達66小時的徐升緩降
與月球公轉和地球自轉方向相同一樣，火衛二繞火星公轉的方向也和火星的自轉方向相同，都是自西向東。但火衛二公轉一周只要30.3小時，同火星24.6小時自轉一周相差無幾。火星在自轉的過程中固然會把火衛二甩在後面，但火衛二緊追不捨。
於是，在火星上「賞月」的人將會看到：火衛二雖然也像我們的月球一樣東升西落，但落山卻遠不及月球那麼快。要是火衛二的公轉速度再快一些——快得正好能趕上火星的自轉，那麼它就不會被火星的自轉甩在後面了。這時，火星上的「賞月」人將會看到，這個「小月亮」逗留在天空中，既不上升也不下落。這種公轉周期與行星的自轉周期相等的衛星叫作「同步衛星」，它永遠固定在其所屬行星表面某一點的上空。
火衛二不是同步衛星，但它的公轉速度已經快要趕上火星的自轉了，因此其東升西落極其緩慢。如果立於火星之上，人們將會看到火衛二從東方地平線升起到西方地平線落下，歷時竟可長達約66小時。而接下來的66小時，火衛二則會始終隱沒在地平線下，然後重又「月出東山」。
一次露臉「月相」循環兩次
正如月球始終以其同一面朝向地球那樣，火衛二也始終以其同一面朝向火星。也就是說，火衛二的自轉周期與其公轉周期相等，同為30.3小時。在火衛二上，一晝夜的長度——它相對於太陽自轉一周所需的時間——就是30.3小時。而它在30.3小時內又經歷了全部的「月相」變化：從「新月」到「滿月」，又復歸於「新月」。因此，在火星「賞月」者的天空中，火衛二從東方地平線上露頭開始，須展示兩次完整的「月相」循環、並且要再過5小時，才沉落到西方地平線下。
如果肉眼能夠看出火衛二的圓缺變化，那麼這種情景定然會給「賞月」人留下十分深刻的印象。遺憾的是，火衛二的視圓面太小，只有用望遠鏡才能看清楚上面所說的這一切。對於肉眼而言，只能看出火衛二的亮度經歷著從最亮（「滿月」時）變到最暗（「新月」時），又從最暗到最亮的變化。同時，火衛二上升到天頂時，會離「賞月」者較近，因而較亮；下落到地平線時，離「賞月」者較遠，因而較暗。
不過，由於太陽和火星的參與，火衛二的「月相」循環經常會被更宏大的「插曲」攪亂。在火衛二位於地平線以上的時段，太陽在火星的天空中至少要東升西落兩次。當太陽出現在天空中時，火衛二不會是「滿月」，有時陽光還會把它淹沒。在火星上的夜間，太陽不再出現於天空中。在火衛二本應成為「滿月」時，卻又會發生「月食」——火衛二鑽進了火星的影子。
火衛一更有趣 邊快跑邊變臉
火衛一比火衛二還要迷人，由於它的公轉比火衛二要快很多，更讓人們看到了火星「月亮」善變的臉。
「跑步健將」西升東落。
火衛一每7.65小時就繞火星公轉一周，這比火星自轉一周快得多。在太陽系中，這種情況絕無僅有。火衛一越過火星上的「賞月」者快快往前跑，因而「賞月」者將會看到這個「月球」竟然是西升東落的。
如果火星根本不自轉，那麼火衛一從西方升起到東方落下所經歷的時間就應該是其公轉周期之半，即約3小時50分。但實際上，火星也朝著同一方向自轉，所以火衛一從露出西方地平線到沒入東方地平線，實際需歷時約5個半小時。
火衛一遍歷一次完整的「月相」變化約需7個半小時，因此「賞月」者可以眼看著這個「小月亮」在天空中一邊跑一邊改變著自己的形象。和火衛二一樣，當火衛一變成「滿月」時,它也會鑽進火星的影子從而發生「月食」。當它處於「新月」 前後時，又會被烈日的光輝所淹沒。
「賞月」緯度有限
火衛一過於靠近火星，還會造成另一種奇景。由於月球的軌道平面與地球的赤道面有較大的傾斜夾角，所以我們即使在地球的兩極，有時候也能看到月球升得相當高。如果月球的軌道平面恰好與地球的赤道面重合，那麼位於地球赤道上任何地方的觀測者都會看到，月球在每天東升西落的中途恰恰經過他的天頂。但在北半球或南半球的觀測者看來，月球卻總是偏於南邊或北邊，而決不會直達天頂。而且，越是靠近南北兩極，所看到的月球在天空中的位置也越低；在十分靠近兩極的地方，觀測者們將會看到月球幾乎是貼著地平線轉動的。
這種「如果」就發生在火星上。火衛一和火衛二的軌道平面都與火星的赤道平面相當接近：火衛一的軌道面相對於火星的赤道面僅僅傾斜1.1°，火衛二的軌道面也僅傾斜1.8°。因此，如果「賞月」 者前往相當接近火星兩極的地方，就會看到這兩個「小月亮」幾乎是在貼著地平線轉圈，在某個方向上，它們可以高出地平線1°以上，而在相反方向上又沉到地平線以下1°有餘。
實際情況甚至比這更糟。火星是一個球體，它不是平的，站在兩極附近的人不可能看見赤道附近的東西，因為在兩極與赤道之間鼓起的球體擋住了視線。兩個火衛離火星的赤道很近，它們永遠隱沒在兩極的地平線下，因此站在火星兩極的人永遠沒有「賞月」的機會。
火衛二離火星還算比較遠，火星上緯度不超過83°的地方都可以看見它。火衛一離火星就更近了，位於火星上北緯70°以北或者南緯70°以南的觀測者是永遠看不見它的。
舉頭望星空 火星「滿月」有多亮
當火衛呈「滿月」狀且位於天頂附近時，就應該比其他任何時候都更明亮。在火星赤道上，如果火衛在半夜時分到達天頂，就該發生這種情況，可惜此時它們卻又恰好鑽進了火星的陰影，不再能被我們看見。
實際上，當火衛最亮時，火星上的「賞月」者將會看到它們呈小小的卵狀。火衛的長徑總是直接指向火星，所以幾乎與「賞月」者的視線方向重合。這意味著在火星上看見的火衛一長度是22千米，寬度是18千米；火衛二的長度是12.2千米，寬度是10.4千米。由此可見，當它們位於天頂時的視大小，都比月球的小得多——火衛一在天頂時的視直徑不及月球的一半，視面積僅為月球的1/7；在地平線時的視直徑僅約為月球的1/4,視面積則為月球的1/15。火衛二的視大小又比火衛一小得多。即使在最大時，它看上去也只是一顆明亮的星星而已。
當火衛被發現之後，曾有不少作品談論「火星的兩個月亮」，浪漫地設想火星上的情侶將比地球上有更多的幽會佳期。只可惜，火衛的視大小遠不如我們的月亮那麼顯眼，它們的光輝也遠遠比不上我們的月亮。
那麼，當它們最亮時究竟可以有多亮呢？火衛比月球離太陽更遠、反射光的能力更差、視面積也更小，綜合這些因素後，我們可以推算出在火星上看到火衛一的亮度至多只有地球上所見滿月的1/16，而火衛二的亮度則不足滿月亮度的千分之二。然而，在火星的天空中，它們依然是除了太陽以外最亮的天體。
在火星上看地球的啟示
放眼火星蒼穹，除了太陽，最亮的恆星是天狼星，這與在地球的天空中完全一樣。在那裡，除了太陽和火衛，還有三個天體也經常比天狼星更亮，它們分別是地球、木星、金星。
站在火星上回望地球，地球也成了一顆明亮的星星，亮度在火星夜空中居第三位。在火星上看到的地球，幾乎與地球上看到的金星一般亮，其亮度幾乎可達火衛二的3/5，而且它比火衛二更惹人注目，其原因在於月球就在地球近旁。
火星上的觀測者將會看到，地球和月球宛如一對「雙行星」，它們的最大角間距可達24′，這相當於在地球上看見的滿月角直徑的3/4。火星上的觀測者還會看到，月球可以亮到0.0等；這雖然只有地球亮度的1/70，但仍不失為天空中的一顆明星。
火星上的觀測者很快就會注意到，月球始終在地球近旁來回晃動。同時，他還會看到，整個地月系統在太陽附近來回晃動：它們從太陽的一側徐徐向太陽靠攏，直到淹沒在陽光中；過段時間，它們又開始在太陽的另一側露頭，並且離太陽越來越遠；遠到一定程度，它們又慢慢返回，再度淹沒於陽光之中……
對於火星上的觀測者而言，月球顯然是在繞著地球轉動，就像伽利略在望遠鏡中看見4個大木衛正在環繞木星轉動一般。這位觀測者根據簡單的類比就會明白，地球必定正在帶著月球一起繞太陽轉動。
火星上要是也有土著的古代天文學家，那麼他們馬上就會想到：天體並不總是繞著火星轉動的，它們可以環繞其他天體轉動。他們大概不會像絕大多數古希臘天文學家囿於地心宇宙體系那樣執著地信奉 「火心」宇宙體系，而是會及早領悟到所有的行星都繞著太陽運轉，從而牢固地確立起「太陽系」的概念。
可以設身處地想一下：要是金星也有一顆像我們的月球那樣的衛星，那麼地球上的古代天文學家也許就能因目睹這顆衛星環繞金星運動而得到啟示，從一開始就建立起某種日心宇宙體系了吧！
END
原標題：《卞毓麟：假如人類登陸火星，會有怎樣的「中秋月色」》
閱讀原文