保罗·海恩 是科罗拉多大学博尔德分校天体物理与行星科学系的助理教授。 本文最初发表于The Conversation。
2022年3月4日，一枚孤零零的、已报废的火箭助推器将以近6000英里/小时的速度撞击月球表面。尘埃落定后，美国宇航局的月球勘测轨道飞行器将进入位置，近距离观察这个冒烟的撞击坑，并希望能阐明行星撞击的神秘物理学原理。
作为一名研究月球的行星科学家，我认为这次非计划性的撞击是一个令人兴奋的机会。月球一直是太阳系历史的坚定见证者，其布满陨石坑的表面记录了过去40亿年来无数次的碰撞。然而，科学家们很少有机会一窥形成这些陨石坑的抛射物——通常是小行星或彗星——的真面目。没有了创造陨石坑的具体细节，科学家们通过研究一个陨石坑所能了解的知识是有限的。
即将发生的火箭撞击将提供一次幸运的实验，有可能揭示大量关于自然碰撞如何撞击和刮擦行星表面的信息。对撞击物理学更深入的理解，将极大地帮助研究人员解读月球荒凉的地貌，以及撞击对地球和其他行星造成的影响。
火箭撞击月球时
关于这枚即将撞击月球的滚动物体的确切身份，一直存在一些争论。天文学家知道该物体是一个高空卫星发射过程中丢弃的上面级助推器。它长约40英尺（12米），重约10,000磅（4,500公斤）。证据表明，它很可能是2015年发射的SpaceX火箭，或者是一枚2014年发射的中国火箭，但双方都否认了所有权。
这枚火箭预计将撞击广阔的荒原，位于月球背面、地球视角之外的巨大的赫兹普朗克环形山内。
火箭触及月球表面后，一股冲击波将以每秒数英里的速度向上传播。在几毫秒内，火箭外壳的后部将被炸毁，金属碎片向四面八方飞溅。
另一股冲击波将向下传播到月球表面被称为月壤的粉状表层。撞击的压缩将加热尘埃和岩石，产生一个炽热的闪光，如果当时有航天器在该区域，就可以从太空中看到。蒸发的岩石和金属云将从撞击点扩散开来，尘埃和沙粒大小的颗粒被抛向空中。在几分钟内，抛射出的物质将落回撞击坑周围的表面，撞击坑此时仍在冒烟。几乎不会留下这枚不幸火箭的痕迹。
如果你是太空迷，你可能在阅读这段描述时感到似曾相识——NASA在2009年曾进行过类似的实验，当时它故意将月球陨石坑观测和传感卫星（LCROSS）撞入月球南极附近一个永久阴影的陨石坑。我曾是LCROSS任务的一员，它取得了巨大的成功。通过研究被抛入阳光中的尘埃羽流的成分，科学家们发现了几百磅水冰的迹象，这些水冰被撞击从月球表面释放出来。这是支持彗星在数十亿年来通过撞击其表面向月球输送水和有机化合物这一想法的关键证据。
然而，由于LCROSS火箭形成的陨石坑被永久的阴影遮挡，我和我的同事们花了十年时间才确定这个埋藏着富含冰层区域的深度。
通过月球勘测轨道飞行器观测
这次意外的撞击实验将使行星科学家有机会在白天观测到一个非常相似的陨石坑。这就像是第一次看到LCROSS陨石坑的完整细节。
由于撞击将发生在月球背面，地球上的望远镜无法观测到。但在撞击发生约两周后，当NASA的月球勘测轨道飞行器飞越撞击区域上空时，将开始拍摄到撞击坑的景象。一旦条件合适，月球轨道器上的相机将开始以大约每像素3英尺（1米）的分辨率拍摄撞击现场的照片。其他航天机构的月球轨道器也可能将相机对准这个陨石坑。
撞击坑的形状以及抛射出的尘埃和岩石，将有望揭示火箭在撞击瞬间的姿态。垂直撞击会形成一个更圆的特征，而不对称的碎片模式可能表明是“肚子着陆”。模型表明，该陨石坑的直径可能在30到100英尺之间，深度约为6到10英尺。
撞击产生的热量也将是宝贵的信息。如果观测能够足够快地进行，月球轨道器上的红外仪器可能能够探测到撞击坑内发光的炽热物质。这可以用来计算撞击产生的总热量。如果轨道器无法及时获得视野，则可以使用高分辨率图像来估算撞击坑和碎片区域中的熔融物质总量。
通过比较轨道器相机和热传感器的撞击前后的图像，科学家们将寻找表面上任何其他细微的变化。其中一些影响的范围可以延伸到撞击坑半径的数百倍。
这为何重要
撞击和陨石坑的形成是太阳系中普遍存在的现象。陨石坑会粉碎和分裂行星地壳，逐渐形成大多数无大气层世界普遍存在的松散、颗粒状的表层。然而，尽管这一过程非常普遍，但其整体物理学原理却知之甚少。
观察即将发生的火箭撞击及其产生的陨石坑，可以帮助行星科学家更好地解读2009年LCROSS实验的数据，并生成更好的撞击模拟。随着未来几年有一大批任务计划访问月球，对月球表面特性的了解——特别是埋藏的冰的储量和深度——需求量很大。
无论这枚失控火箭的身份如何，这次罕见的撞击事件都将提供新的见解，这些见解可能对未来月球及更远星际任务的成功至关重要。
