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編者注：本文最初發表於1969年10月刊的《大眾科學》雜誌。我們釋出這篇文章是為了紀念“阿波羅11號”登月40週年。
“阿波羅11號”任務成功地將人類送上月球並安全帶回月球物質樣本，標誌著人類和機器對月球進行富有成效的探索時期即將開始。目標是回答大量關於月球的起源和演變、地質、化學和物理結構，以及它的歷史如何揭示太陽系中其他天體歷史的問題。我們在本文中的目的是討論即將到來的載人月球探險隊將要解決的主要問題，並描述這些任務中可能採用的技術。
從天文學意義上來說，月球通常被認為是地球的衛星。然而，從行星過程的角度來看，月球可以被視為“類地”行星（其他行星是地球、火星、金星和水星）中最小的。由於月球與太陽的距離與地球的距離大致相等，因此月球受到的外部影響與地球相似。然而，月球的體積較小意味著其歷史與地球的歷史截然不同。
大多數行星尺度的過程都來自內部能量源及其消散方式。內部能量的大小和消散方式取決於行星的大小。在地球上，能量的消散伴隨著火山流體從地球內部向地表輸送、長期形成輕地殼和緻密地核，以及地殼、地幔和地核的大規模運動。這些過程，加上侵蝕以及地表物質與大氣和水圈的化學相互作用，不斷破壞著地球的地表特徵。例如，即使是最大的火山，在火山活動停止後數百萬年內也會被侵蝕夷平。地球原始地表特徵仍然保持不變的可能性極小。沒有已知的例子，幾乎可以肯定也不會找到任何例子。
人們曾經認為月球的許多地表特徵可以追溯到月球的形成時期。來自月球軌道器航天器的照片提供的月球表面詳細檢視在一定程度上減少了這種可能性，因為它們表明侵蝕和其他變化過程確實發生在月球上。“阿波羅11號”返回的樣本的初步分析表明，該材料非常古老，可能已有30億年之久。高地可能更古老。自行星形成以來，月球表面的一些物質在化學上沒有發生變化的可能性仍然很高。
主要問題
關於月球的基本科學問題通常以地球的特徵來表述，當然，這些特徵更為熟悉。例如，在詢問月球的總體化學和物理結構時，人們想知道月球是否像地球一樣在化學和礦物學上是分化的。諸如火山活動之類的過程是否在月球上發生過，它們在很長一段時間內的歷史是怎樣的？月球是否曾經擁有大氣層？在月球上是否曾經存在或進化過原始生物材料？
回答這些問題需要從月球上的各種區域回收和分析月球物質樣本。大多數分析將必須在地球上進行。確定月球物質樣本的年齡或對其進行化學和礦物學分析需要儀器，這些儀器在未來幾年內無法部署在月球表面，尤其是在對要分析的材料的特性幾乎一無所知的情況下。
對返回的月球材料的研究實際上將提供自然科學家有史以來面臨的最有趣的挑戰之一。在從少數孤立的月球物質樣本中，在透過照片獲得的相當詳細的表面形態知識的幫助下，可以瞭解多少月球歷史和多少月球表面過程？可能性是相當大的，因為月球表面不受地球表面發生的許多化學過程的影響，例如伴隨侵蝕和沉積的變化。此外，隕石撞擊將物質分佈在月球表面，這表明任何給定位置的大量物質可能來自很遠的距離，而化學成分沒有發生顯著變化。
為了追蹤月球的演化、瞭解其整體內部結構並解釋其主要形態特徵的特徵，需要了解月震釋放的內部能量的種類和數量、表面的熱流以及火山活動。月震的發生將揭示應力隨深度的分佈情況。月震產生的地震波將為推斷基本物理性質隨深度的分佈提供強大的工具。測量表面的熱流，再加上對月球岩石中放射性元素分佈的估計，將有可能確定內部能量是否實際上是月球火山活動的成因。要解決這些問題，需要來自月球上許多廣泛分佈的地點的資料。
質量瘤問題
在月球軌道器任務中使用的航天器不僅拍攝了月球表面的精美照片，而且還對月球的引力場做出了驚人的發現。如果月球是一個對稱的橢球體，無論是在內部還是外部，一顆衛星都將以平穩變化的速度在其周圍以明確的橢圓軌道執行。實際上，月球和地球一樣，並不是一個完全對稱的橢球體，這會在衛星軌道中引入擾動。然而，除了這些擾動之外，還有一些擾動是由月球密度橫向變化引起的。當月球軌道器航天器在軌道上被跟蹤時，人們注意到當它們經過月球的環形月海或深色圓形“海洋”時，它們的速度會加快。噴氣推進實驗室的保羅·M·穆勒和威廉·L·肖格倫對這些運動的分析得出結論，在主要的圓形月海（雨海、寧靜海、危海、溼海和酒海）上方，存在大量過量的重力。
這些引力變化的原因是什麼？與月海相關的大正異常意味著質量集中，現在縮寫為“質量瘤”。所涉及的濃度的一個例子是估計雨海上方的引力異常相當於一個直徑為 70 公里、中心深度為 50 公里的鎳鐵球產生的引力異常。
月球質量瘤的發現引發了關於其起源的大量推測和辯論。它還重新燃起了人們探索月球月海的興趣，許多研究人員認為月球月海在科學上不太可能像月球的其他區域那樣有價值。質量瘤是否代表撞擊月球隨後被掩埋和破碎的巨大鐵小行星的殘餘物，還是由其他機制形成的？
大多數月球研究者贊成後一種可能性。辯論的焦點是該機制可能是什麼。已經提出了幾種機制：用熔岩填充低密度、破碎的月球地殼；熔岩流入撞擊坑；密度較大的物質從月球深處湧入巨大的撞擊盆地；甚至沉積在月海中的沉積物，這些沉積物是由後來乾涸的流水造成的。最後一個假設包含了一個有趣的含義，即水不僅曾經在月球上存在，而且還在月球歷史中發揮了重要作用。無論如何，由於質量瘤現象，月球樣本的分析變得更加重要。“阿波羅11號”樣本的初步測量得出的一個令人興奮的結果是，其密度為每立方厘米 3.2 至 3.4 克，這對地球岩石來說很高，可能與質量瘤的存在有關。
探索地點
美國國家航空航天局目前的計劃是在未來三到四年內對月球進行九次載人探測。前幾次的地點可能會根據與“阿波羅11號”任務生效的約束條件相似的約束條件來確定，即著陸點必須在面向地球的月球一側，以便地球和著陸隊之間可以保持持續的無線電通訊；該地點必須位於沒有障礙物的區域；並且可以從自由返回軌道進入，這意味著如果指揮艙中的主引擎發生故障，宇航員將能夠以最小的動力返回地球。這些限制將接下來的幾次著陸限制在月球赤道附近的月海地點。
之後，應該可以進一步向外探索，在其他具有特殊科學意義的地點或附近著陸。目前正在討論許多可能的著陸地點。我們不會一一描述，而是重點介紹我們認為能為解讀月球歷史提供重要線索的四個候選地點和一個長途跋涉區域。我們討論這些地點的順序不應被賦予任何特殊意義。
第一個地點是小型、極新的隕石坑刻普勒隕石坑（Censorinus）。在這裡著陸預計可以實現三個目標：確定月球表面上明顯非常年輕的地貌的年齡；調查和描述一個無可置疑的撞擊地貌；以及從高地地區獲取物質樣本。另一個可供選擇的地點是莫斯汀C隕石坑（Mosting C），它也提供了類似的可能性。
第二個地點代表了更為雄心勃勃的目標，即探索一個主要的隕石坑。這樣的隕石坑就是哥白尼隕石坑（Copernicus），它直徑約70公里，內部有突出的中央峰。這個相對年輕的隕石坑的噴射物覆蓋了月球正面十分之一以上的面積。隕石坑內的地形起伏超過15000英尺[4572米]，堪比地球上最山巒起伏的地區。另一個具有非常相似特徵的地點是第谷隕石坑（Tycho）。這些大型隕石坑之所以令人感興趣，不僅因為它們代表了月球歷史上的重大事件，還因為，透過與小得多的地球隕石坑類比，它們應該會暴露來自深達10公里甚至更深的物質。有人認為，這些隕石坑的中央峰可能由現在位於地表的物質組成，而這些物質來自10至15公里甚至更深的深度。因此，即使隕石坑中的物質可能因衝擊過程而變得雜亂無章、破碎和變形，它也應該提供月球外層幾公里的多樣化樣本，併為解釋其歷史奠定基礎。
第三，我們指出非常有趣的馬利厄斯丘陵（Marius Hills）地區。這是少數幾個構造特徵（如穹丘和堆積圓錐）比同等大小的隕石坑多的區域之一。該區域還與最長的月球山脊系統之一相關聯，該山脊系統橫跨月球西半部的風暴洋（Oceanus Procellarum）的廣闊區域。該區域的構造環境與冰島和亞速爾群島等地球火山區相似。馬利厄斯丘陵地區的背景和結構表明，這是一個火山活動區域，岩漿物質透過噴口被新增到地表。
理解月球表面演化的重要性在於馬利厄斯丘陵地區看似火山特徵的起源和年齡。與地球的整個歷史相比，地球火山特徵的形成時間很短。即使是構成夏威夷群島的廣泛區域，也只代表了不到7000萬年的時間。馬利厄斯丘陵穹丘形成的絕對年齡和所用時間對於描述月球火山活動將具有重要意義。
馬利厄斯丘陵地區範圍太廣，單次載人登月任務無法覆蓋。幸運的是，在幾個直徑不超過70公里的區域中，可以訪問許多較小規模的特徵。前往這樣一個區域的任務將能夠對一些海拔50至100米的、具有凸形斜坡的小穹丘；具有粗糙複雜表面的陡坡穹丘；光滑且通常對稱的陡凸或球根狀穹丘；山頂有線性凹陷的陡坡圓錐；狹窄陡峭的山脊以及各種撞擊特徵進行取樣和研究。
第四個候選地點是亞平寧山脈（Apennine Mountains）地區，它大致構成了雨海（Mare Imbrium）的東南邊界，也是由雨海、澄海（Mare Serenitatis）的西南邊界以及暑灣（Sinus Aestuum）北部構成的一個三角形高地區域的西北腿。亞平寧山脈是月球上最令人印象深刻的山脈之一。亞平寧前沿從西側相鄰的月海水平面上升4800米。
透過訪問這個地區，可以瞭解關於月球的哪些資訊？亞平寧前沿是月球的一個主要物理特徵，暴露了一個數千米厚的延伸垂直剖面，可供取樣和檢查。這裡有機會評估可能很長的月球歷史時期。岩石在形態、物理和化學上是否是異質的？它們的年齡有多大？它們是分層的嗎？這些問題的答案可能會對我們理解月球歷史產生深遠的影響。
已經在亞平寧前沿附近提出了兩個著陸點，它們距離重要的月球特徵不超過5公里。其中一個特徵是被稱為哈德利月溪（Rima Hadley）的峽谷狀構造。它是地表流通道還是塌陷的熔岩管？如果它是像推測的那樣由水形成的，那麼水從哪裡來？又是什麼阻止了它立即蒸發？
哈德利月溪的意義
仔細觀察月球軌道器的哈德利月溪照片可以發現，沿著它的牆壁可以看到新鮮的岩石暴露，並且有石塊從牆壁上掉到了月溪的底部。哈德利月溪切割到月海的底部，從而揭示了一個主要月球特徵的深度，或許還可以看到它的歷史橫截面。因此，它可能為以下問題提供答案：月海是熔岩或火山灰流的層狀沉積物，是包含連續形成歷史的沉積物，還是僅僅是從太空中吸積的冷顆粒物質的聚集體。
擬議的著陸點位於高地和月海的邊界，這為另一個有前景的調查提供了機會。部署一個多軸地震儀，並記錄來自不同方向的地震波，應該可以揭示月海和高地之間任何深層結構差異。因此，人們可能會回答月海和高地是否類似於地球上的海洋和大陸，它們顯示出主要的結構差異。
長途跋涉
在早期在各種月球地點進行固定站著陸之後，有必要進行某種形式的遠端移動表面探測，以克服人類徒步的侷限性。答案在於車輛跋涉，這將使人們有可能研究月球上的跨國變化，從而形成在著陸點附近可以進行的密集觀測與從軌道上可以進行的廣泛平均觀測之間的橋樑。目前特別引起人們興趣的技術稱為雙模式月球表面漫遊車系統。雙模式一詞指的是車輛可以在宇航員在月球表面工作時由他們使用，並且可以在他們離開後從地球上遠端操作。目前的計劃需要兩次單獨的月球著陸，兩次著陸點相距500公里，目的是最大限度地從無人自動跋涉中返回資訊。
這樣的操作將按如下方式進行。在第一次著陸的表面活動接近尾聲時，宇航員將啟動他們的無人駕駛車輛進行自動跋涉。該車輛將在地球的引導下，穿過月球移動到第二個著陸區內的遠處地點。在它開始旅程幾個月後，參加第二次著陸的宇航員將在那裡與該車輛會合。在跋涉過程中，該車輛將收集岩石樣本、傳輸電檢視像並進行地球物理實驗，從而產生將透過遙測傳輸到地球的資料。在宇航員在第二個地點取回岩石後，他們可以在探索該地點時使用該車輛。如果車輛仍然處於令人滿意的狀態，他們可以開始另一次長途跋涉。
典型的跋涉可能從哈德利月溪進入雨海，然後再進入澄海。沿途，它將提供重力、磁場和電場以及地表層深度的連續變化剖面。這次特殊的跋涉跨越了最大的質量瘤區域之一，並且將覆蓋足夠的地面以利用地球物理技術充分探索該現象。
沿跋涉路線對重力的連續監測將提供有關月球區域地殼均衡的資訊，即較高地形特徵是否透過其下方的質量不足進行補償，或者它們是否代表地表上的負荷。對這個問題的回答將充分說明這些特徵的形成機制。重力資訊還將提供有關密度變化的更大深度的線索。如果月球有一個類似於地球的地殼，那麼它在哈德利月溪附近的月球高地與雨海盆地的中心之間有何變化？
如果可以將重力測量與地震資訊結合起來，則重力測量的價值會增加。地震測量有望解決月球底層中任何分層的細節。在我們一直描述的跋涉路線上，一項正確執行的地震實驗將很快揭示埋藏在質量瘤中的巨型鐵小行星的存在。
改進的能力
我們所討論的任務的完成意味著對阿波羅11號任務中已經展現出的相當大的能力進行了相當大的改進。我們將列舉我們認為到1972年可以預期的一些改進，儘管我們應該指出這些估計有些不確定。目前的能力是任務持續10.8天，總共在月球上花費22個小時；到1972年，應該可以進行16天的任務，在月球上花費78個小時。運送到地表的科學儀器有效載荷應從300磅增加到600磅，而返回地球的具有科學意義的物質數量應從150磅增加到300磅。現在的著陸僅限於赤道帶，將來可能在月球正面大部分割槽域實現著陸，並且可能在目標區域的0.5公里內而不是像現在那樣在10公里內著陸。對於月球艙外的宇航員來說，在月球上的步行半徑應該從100米增加到4公里，而單次艙外活動期間覆蓋的總距離應該從500米增加到幾公里。宇航員在月球表面活動時所佩戴的生命支援包的容量可能會比現在的4800英國熱量單位增加多達50％。也有可能的是，指揮艙在繞月球執行時能夠發射一顆子衛星，從而進行額外的測量。
當單獨考慮時，這些新能力似乎觸手可及。不可能擁有所有這些能力，因為其中一些能力是互斥的。例如，如果決定在月球上著陸600磅的科學儀器有效載荷，那麼可能無法為宇航員配備穿越月球表面10公里的能力。
看起來，宇航員很快就能使用恆容宇航服了。目前的可變容積宇航服會迫使宇航員對抗宇航服做大量的功。而且，宇航員也不能彎腰或彎曲腳踝。恆容宇航服在執行相同任務時，所需做的功將減少約 30%，因為幾乎不需要對抗宇航服做功。這種宇航服在腰部和腳踝處也更靈活。有了這種宇航服，宇航員在月球表面的活動能力應該會大大提高。
即便如此，除非宇航員的活動能力超過步行，否則我們討論過的幾個地點都無法得到充分的探索。事實上，活動半徑應該在著陸點周圍約 30 公里。顯然，需要一輛交通工具。有兩種方法可行：交通工具可以以每小時幾英里的速度在月球表面爬行，也可以在低空飛越月球表面。地面交通工具的優點是讓乘員能夠停下來觀察有趣的物體，而火箭動力的飛行平臺則可以讓人快速地從一個主要興趣點移動到另一個主要興趣點。飛行交通工具還可以垂直移動，這在某些月球地點會非常有利。雖然飛行和爬行的交通工具都有明顯的優點，但兩者都很昂貴，很可能只會開發一種能力。
鑑於著陸隊最多隻能在著陸點附近探索 10 到 100 平方公里的區域，目前計劃的九次額外著陸將僅覆蓋月球正面約一萬分之一的區域。為了更全面地瞭解月球表面，包括背面，並尋找著陸點遺漏的特徵型別，NASA 計劃使用安裝在服務艙中的儀器從軌道上進行遙感。感測器將在第六次著陸左右開始投入使用。
軌道感測儀器
正在考慮使用八種類型的儀器進行遙感活動。測量從月球表面發射出的伽馬射線、X 射線和阿爾法粒子的光譜儀將能夠檢測到幾種元素。伽馬射線儀器可以確定月球表面頂部一英尺內的鐵、鉀、釷和鈾的含量。X 射線儀器將接收太陽激發並在極薄的表面層中產生的輻射，並提供有關矽、鎂和鋁等主要元素濃度資訊。阿爾法儀器將揭示月球內部是否有大量氡氣洩漏，這通常伴隨著地球上的火山或溫泉活動。紅外輻射計將測量來自表面的紅外輻射，從而能夠找到熱點和火山活動。氣體質譜儀將測量服務艙周圍原子的數量和型別，從而確定月球軌道高度上極少量氣體的密度和成分。電磁探測器將從月球反射無線電波脈衝（10 千赫茲至 100 兆赫茲）並測量反射回來的量，從而瞭解地下分層，並確定是否存在化學分異，甚至可能存在冰層。度量相機將拍攝大部分月球的幾何控制良好的照片，以確定月球的橢圓度以及月海中心是否低於邊緣。雷射高度計將從月球表面反射光束以精確測量高度；這些測量值與軌道資料和度量相機的資訊相結合，將有助於確定月球的形狀。
這種廣泛的覆蓋範圍將與宇航員在地面上對小區域進行的詳細覆蓋範圍很好地結合起來。每次著陸都將為軌道實驗提供一個標準，透過詳細測量儀器應該從軌道上看到的東西。然後，軌道儀器將比僅透過載人著陸獲得更廣泛的表面特徵覆蓋範圍。
實現我們所描述的目標仍然會為月球探索留下幾個激動人心的前沿領域。其中包括訪問東方海、極地區域和月球背面。這些訪問將需要開發新的技術。
長期目標 在月球軌道飛行器照片中發現的巨大“靶心”特徵東方海，位於從地球上看月球的遠西邊緣。它是一個儲存完好、同心分層的特徵，可能是由巨型隕石撞擊形成的。該特徵為探索提供了無與倫比的挑戰，但也為著陸帶來了巨大的操作困難。環繞東方海盆地形成直徑約 960 公里的圓形外崖的科迪勒拉山脈，是月球上最龐大的山脈之一，比鄰近地形高出約 18,000 英尺。也許這個地點是月球上所有可能地點中，研究月球演化和歷史的最佳機會。
極地著陸是一個特別令人著迷的前景。靠近兩極的區域處於永久陰影中，因此人們可能會希望在那裡發現凍結的氨、二氧化碳、水和類似的揮發性物質，否則這些物質早就從月球逃逸了。