嫦娥四号着陆后的三大任务,为什么要在这里完成?

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  因为这里更接近“月球的心”

  经历了26天的旅途颠簸,嫦娥4号已经于2019年1月3日10:26成功降落在了月球背面的南极-艾肯盆地(South Pole-Aitken basin, SPA)的冯卡门撞击坑(Von Kármán)内,着陆地点坐标为南纬45.5度,东经177.6度。

  

  (嫦娥四号降落过程)

  嫦娥四号通过鹊桥中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,成功实现人类第一次月背软着陆,给世界送上了2019年的一份大礼。

  

  咦,兵马俑?错了错了,应该是这张:

  

  战士行军,装备不能少。嫦娥四号随身共携带了8台有效载荷设备,其中4台载荷设备配置在着陆器上,分别为降落相机地形地貌相机低频射电谱仪月表中子与辐射剂量探测仪(与德国合作),其余4台配置在巡视器上,分别为全景相机测月雷达红外成像光谱仪,以及中性原子探测器(与瑞典合作)。

  携带了这么充足的装备,是因为嫦娥四号要做的事情很重要。很早之前嫦娥四号就公布三个主要科学任务:

  1、月基低频射电天文观测研究

  2、月球背面巡视区浅层结构探测研究

  3、月球背面巡视区形貌与矿物组分探测研究

  那这三大任务为什么要选在南极-艾肯盆地进行呢?换句话来说,除了附近有大片平坦的玄武岩表面,光照、测控条件也需要满足降落需求,南极-艾肯盆地是怎么从月球背面脱颖而出的呢?

  

  (嫦娥四号降落点 冯卡门撞击坑)

  先谈第一个任务:月基低频射电天文观测

  波长10米以上的电磁波,对于人类无线电波而言是短波/超短波,而对于宇宙中的电磁波而言属于长波。宇宙中的长波包含了大量的太空信息,尤其是宇宙最开始形成时候的信息

  地球由于大气电离层反射和人工无线电干扰的存在,宇宙中的大量电磁波我们都接收不到,因此并不适合在上面开展低频射电天文观测,甚至在地球轨道上、在朝向地球的月面上,都会受到地球不小的干扰。一句话:(地球上)信号有屏蔽、太杂乱

  而偏偏月球背面由于“潮汐锁定”的缘故,始终背朝着地球。在地月系统内(很近),居然存在一个背向地球的地方(很静),这简直就是造物者给人类的精心安排。这样得天独厚、完美安静的天文观测优势怎能不吸引人类前去?所以月球背面,人类势必要前往

  此次的嫦娥四号的低频射电频谱仪正是为此任务而新搭载的精密仪器,它最明显的特征就是着陆器上会伸出三个相互垂直的天线,任务是在月球背面进行太阳低频射电特征和月表射电环境的观测,填补0.1~40 MHz范围内的射电观测空白。

  

  嫦娥四号着陆器,中国航天科技集团

  第二个任务:巡视区浅层结构探测研究

  必须先要提到嫦娥一号的贡献。嫦娥一号于2007年10月24日发射升空,看遍了月球的每一寸土地,并完整传回了数据。根据这些数据制作完成了中国第一幅全月球影像图,为我们提供了月球的详细地面形貌信息,获取了大量的数据信息。中国人终于用自己的卫星看到了月球正面和背面的巨大差异,强烈激发了中国探测月球背面的好奇心。

  

  (2008年依据嫦娥一号卫星拍摄数据制作的中国第一幅全月球影像图正式公布,中国政府网)

  经过前期观测发现,月球背面几乎全是环形山或者撞击坑(面积占比97.5%),占比远远超过了月球正面。形成原因和目前的情况都只有理论解释,缺乏实地验证。而说到南极-艾肯盆地,它是已确认的月球上最古老、最深、最大的撞击盆地,形成于月球前酒海纪(39.2亿年前),也是太阳系第二大超级陨石坑。1998年,NASA的月球勘探者号就发现了这里存在水冰,更接近月球最原始的情况。

  

  (大红圈范围是南极-艾肯盆地,小红圈范围是冯·卡门撞击坑,Wikipedia)

  前期的观测还显示,南极-艾肯盆地内部叠加了大量的撞击坑,整体能够反映复杂的、不同年代的、不同形态的地质特点。因此,实地研究将有助于解释或者暴露月球更深层的结构和成分,帮助人类加深对盆地的形成和结构的理解,提供月球乃至太阳系早期演化的历史证据。

  此次巡视器携带的全景相机可以将月球表面立体成像,开展三维成像就位探测,配合多种相机,能够开展月表物质成分就位分析,特别是撞击坑形态和统计研究;测月雷达则可以探测巡视器沿途地下的浅表层结构,例如月壤厚度、月壳浅层结构等,月壤的探测深度将大于30米,分辨率优于30厘米;月壳的探测深度大于100米,分辨率优于10米。并将对典型撞击坑的表面结构进行探测,帮助我们追溯巡视器所在区域的地质历史,有望在月球演化模型及理论研究方面实现新的重大突破。

  

  (嫦娥四号巡视器“玉兔二号”踏上了月面,中国航天科技集团)

  第三个任务:巡视区形貌与矿物组分探测研究

  一个地方的地形地貌不仅仅是自身演化的结果,也是与外界接触、受外界影响的结果。很多内部的信息可以从外部特征、成分上提取、推导得到。在上面说到,南极-艾肯盆地非常古老,而又是被撞击产生的,同时还具有退化程度低、完整性好、地区差异性强的特点,必然存在着撞击留下的痕迹,甚至撞击有可能使得下月壳露出、击穿月幔也未可知,或许能够保留月幔最原始的成分,存储了月球深部物质甚至诞生之初的秘密。因此,南极-艾肯盆地被认为是研究月球深部物质的重要窗口,嫦娥四号去那儿探测正是看准了这一点

  除此之外,月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同,久负盛名的氦3理论上更容易在月球背面环境产生。先到先得,先研究先得。

  此次任务,巡视器上的红外成像光谱仪覆盖可见-近红外波段,能够探测月球车沿途的月表矿物组成和分布,配合多种相机对撞击坑进行三维立体多光谱探测;还将建立月背综合地质剖面,揭示该地区独特的地质演化历史。

  着陆器上还有与德国基尔大学合作研制的月表中子及辐射剂量探测仪,能测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量和LET谱,以及月表快中子能谱、热中子通量等参数,为未来载人登月的安全活动和月表综合粒子辐射模型修正提供数据支持。

  结语

  探测车的一小步,是中国人乃至全人类的一大步。仅仅是着陆地点的选取,航天人也慎之又慎,终于挑选出了南极-艾肯盆地。由于中国航天经费有限,登月大计,不容一步浪费,中国迈出的每一步都需要极具意义,所以在“嫦娥三号”任务圆满完成后,作为备份的嫦娥四号探测器走向了更大的舞台。

  嫦娥四号探测器项目执行总监张熇说过:“因为没有别的探测器到过月球背面,所以不论是探地形还是探月壤成分,应该都是人类第一次获得一手数据。”笔者也曾有幸现场听过叶培建院士的报告,叶院士说:宇宙就是个海洋,月亮就是钓鱼岛,火星就是黄岩岛,我们现在能去我们不去,后人要怪我们。别人去了,别人占下来了,你再想去都去不了。这一条理由就够了。

  

  (科普讲堂上的叶培建院士)

  目前世界上除了中国的嫦娥四号,还有以色列的SpaceIL(借SpaceX的猎鹰9号火箭发射)、德国的PTScientists、印度的Team Indus(1月30日前发射探测车或着陆器任务)和美国的Moon Express在内的多家太空私企也都已宣布将在2019年年内让自家的探测设备登陆月球。其中,Moon Express和另一家美国太空私企Astrobotic还被NASA选中开发下一代登月和月球考察技术,预计将于2019年年内开始相关测试。可以看到,新一轮的“月球竞赛”已经开始了,中国目前步伐稳健。

  祝愿中国探月一切顺利!

  正文参考文献:

  [1] https://zh.wikipedia.org/wiki/嫦娥四号

  [2] http://www.gov.cn/jrzg/2008-11/12/content_1147088.htm

  [3] 吴伟仁, 王琼, 唐玉华, et al. "嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报, 2017(2).

  [4] 贾瑛卓, 邹永廖, 薛长斌, et al. 嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置[J]. 空间科学学报, 2018.

  

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  第 227 期

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