與嫦娥四號一同去看看月球背面

月亮的背面從來未曾示人,嫦娥四號探測器則承載着人類的希望,首次踏上這片土地一窺究竟。在「鵲橋」號中繼衛星的幫助下,嫦娥四號得以和地球建立通訊,着陸器與玉兔二號月球車也相互配合,在月背進行科學探測工作。

神秘的月球背面一片荒涼,毫無生氣。這裡沒有風,沒有水,看不見雲霧雨雪,也聽不見任何聲音,廣寒宮闕和吳剛伐桂的傳說更是無處可尋。與月球正面相比,這裡擁有更多山地和高原,滿目的碎石與浮土上從未有過人類的腳印。

2019年1月3日,這塊寂寥的土地上來了一位訪客,它緩緩降落,從金色的外殼上徐徐展開太陽能帆板,用相機照下了「眼前」的景象,照片隨即傳回了38萬公里以外那顆藍色的星球。這位訪客就是來自中國的嫦娥四號探測器,也是人類首個在月背着陸及巡視探測的航天器。嫦娥四號為何要去往月球背面?月背究竟藏着甚麼秘密?這一切都得從與嫦娥四號同名的那項探月工程說起。

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嫦娥四號拍攝的首張近距離月背影像圖(來源:中國國家航天局)
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嫦娥工程

1994年,中國科學家開始進行探月活動必要性和可行性論證。經過十年時間,月球探測工程獲得批准,並命名為「嫦娥工程」,以表現中國人「奔月」的決心。按照計劃,嫦娥工程分為「繞」、「落」、「回」三期,簡單來說就是實現環繞月球探測、月面軟着陸和自動巡視勘察以及無人採樣返回。

經過三年的研製,中國第一顆月球探測衞星嫦娥一號於2007年發射,開展繞月探測。此次任務主要為了獲取月球表面三維影像,分析月球表面有用元素含量和物質類型的分佈特點,探測月壤特性,檢測地月空間環境。嫦娥一號任務的完成也標誌着探月工程一期圓滿成功。

2010年發射的嫦娥二號是二期工程的先導星,其開展多項科學探測的同時還驗證了部分技術。完成預定任務後,嫦娥二號飛離月球軌道,成為了繞太陽飛行的人造小行星。而二期工程的主角則是2013年發射的嫦娥三號。它在完成繞月飛行和動力下降後,於月球正面預選着陸區成功着陸。嫦娥三號任務突破了軟着陸、月面巡視勘察、深空測控通信等關鍵技術,調查了月表形貌、地質構造、物質成分和可利用資源等。至此,探月二期工程也已完成。

嫦娥四號本是嫦娥三號的備份星,嫦娥三號任務成功後,中國國家航天局組織科學家共同論證,決定在進行月面採樣之前,先實施更有意義的人類首次探測月球背面活動,所以嫦娥四號也被看作為探月四期的首次任務。

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注:因為嫦娥四號任務是臨時增加的探月工作,且與一、二、三期任務皆不相同,所以俗稱為嫦娥四期工程。
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探訪月背

曾經無數次舉頭望明月的你是否知道,我們看到的月亮永遠只是一面,而月球的背面從來不曾展示在我們眼前?這是為甚麼呢?

因為地球與月球之間具有相互的引力,叫做潮汐力。潮汐力的作用使得地球好像把月球拴住一樣,並讓月球繞地球公轉一圈的時間和月球自轉一圈的時間基本相同,所以月球始終保持一面對着地球。在天文學中,這叫做「同步自轉」或「潮汐鎖定」。

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也正因如此,關於月球背面的各種傳說甚囂塵上,甚至有人說月球背面已經被外星人佔領了,他們在那監視着地球人類的活動。其實早在1959年蘇聯發射的月球三號探測器就已經拍攝了第一張月球背面照片,讓人們對這塊陌生的土地有了初步的了解。嫦娥一號與嫦娥二號繞月飛行中也都拍攝了清晰的月背影像。嫦娥四號正是在這些基礎上,對月背進行更近距離的探索。

從科學角度來講,此次嫦娥四號到達月球背面,選擇着陸在月球最古老的撞擊坑——馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑,這個撞擊坑的形成時間超過40億年,它的地質構造、礦物組成都有極高的科研價值。另外月球背面還有一個特殊的優勢,這裡可以遮擋地球的低頻電磁波干擾,是開展低頻射電天文觀測的有利場所,幫助人類研究太陽的爆發及宇宙早期的信息,這是許多科學家和天文愛好者夢寐以求的機遇。BBC新聞網科技編輯保羅·林孔(Paul Rincon)也指出,嫦娥四號成功在月球背面着陸將有助於研究月球的歷史、填補天文觀測的空白,並且能讓人類對月球上的輻射有更多了解。

而在嫦娥四號造訪月背之前,還有一項重要的任務,就是建立通訊系統。由於受月球自身遮擋,嫦娥四號將無法與地球直接進行測控通信與數據傳輸,所以必須先建立一個「通信中繼站」。2018年5月21日,中國發射了「鵲橋」號中繼衛星,飛往地月拉格朗日L2點Halo軌道,在那搭建起嫦娥四號與地球間的通信橋樑。「鵲橋」中繼星也是世界首顆運行於地月拉格朗日L2點的通信衛星。

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拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange,1736~1813),法國數學家。他與瑞士數學家歐拉(Leonhard Euler)推算出在天體運動中,一個小物體在兩個大物體的引力作用下,基本保持靜止的五個點。

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「鵲橋」中繼星運動軌跡
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2018年12月8日嫦娥四號探測器由長征三號乙運載火箭搭載升空,經過「太空剎車」和變軌,進入近月點高度約15公里的橢圓軌道。2019年1月3日嫦娥四號成功着陸在月背艾托肯盆地(South Pole–Aitken basin)的馮·卡門撞擊坑,着陸器與搭載的玉兔二號月球車(巡視器)順利實現兩器分離。所有巡視、探測數據都經過「鵲橋」中繼星傳回地球。嫦娥四號配置了13台載荷,其中包括與德國、瑞典、荷蘭、沙特合作的四台科學載荷,還搭載了龍江號環月微衞星。此次任務旨在探測着陸區地形地貌,巡視區月表、淺層結構、物質成分以及月背空間環境,此外,還將開展超地月距離的反射式激光測距技術試驗和月表生物圈科普試驗。

1月11日,中國國家航天局宣佈,着陸器和月球車工作正常,兩器完成了互拍,圖像與各項數據均順利傳輸,中外科學載荷探測數據也正常下傳,達到了既定工程目標。此後,工程任務轉入了科學探測階段。

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嫦娥四號着陸器(來源:中國國家航天局)
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玉兔二號巡視器(來源:中國國家航天局)

 

「勞逸結合」

隨着嫦娥四號着陸區進入月夜,巡視器與着陸器分別於1月12日和1月13日相繼進入月夜休眠模式。人需要休息,機器怎麼也需要休息?

機器之所以也要「勞逸結合」,這是由月球的環境決定的。月球因為自轉運動,也會有面向太陽的月晝和背對太陽的月夜,只有月晝期間,嫦娥四號和玉兔二號才能獲得作為主要能源的太陽能。月球自轉一周約為27.32天,所以一個月晝或月夜大約等於地球的14天。沒有光照的情況下,月表温度會很快降低至-180℃左右,嫦娥四號與玉兔二號大部分科學載荷只能暫時斷電休眠,不進行科學探測任務,此外在月晝正午時分,玉兔二號也需要進行午休。為確保着陸器、巡視器及其科學載荷安全度過月夜,科學家們引入放射性同位素熱源,在月夜期間供應熱量,保證設備儀器的存儲温度要求。

1月29日及30日,玉兔二號巡視器與嫦娥四號着陸器完成自主喚醒,退出「月夜休眠模式」,按照預定程序相繼通電開機。兩器在月背經受住了極低溫環境考驗,繼續進行月面巡視和科學探測工作。往後,「嫦娥」和「玉兔」就將這樣在月背過着「日出而作,日落而息」的生活。

嫦娥四號與玉兔二號需要長時間休息,地球對它們的關注卻一直沒有停息。美國國家航空航天局(NASA)提出,希望利用正在月球軌道上運行的美國月球觀測衞星(LRO)對嫦娥四號探測器進行觀測,供科學家研究。中美雙方科學家對此進行了密切溝通並交換了信息。另外,美國科學家還希望中方延長「鵲橋」中繼星的使用壽命,以幫助美國後續的登月活動。

國家航天局秘書長、新聞發言人李國平表示,國家航天局高度重視航天國際合作與交流,願意同各國航天機構、科研院所,以及空間探測愛好者分享載荷所獲取的科學數據,同時也歡迎國際社會利用「鵲橋」中繼星繼續開展科學研究工作。

 

目前,國家航天局基本明確了探月工程四期還有三次任務:將在月球南極進行採樣和綜合探測,並進行更加深入的月面實驗,包括探索建立月球科研基地。今年年底,嫦娥五號還將登陸月球完成自主採樣返回任務。來自中國的探測器將在月球及其他行星上留下更多足跡,人類對宇宙深空的探索也永不會停止。

 

 

參考資料:

《鵲橋呼叫嫦娥四號:我已到站既能看到月背又能看到地球,等你!》 界面新聞 2018/6/17

《國新辦舉行探月工程嫦娥四號任務有關情況新聞發佈會》 國新網 2019/1/14

《嫦娥四號與玉兔二號預計將於1月底被喚醒開展探測工作》 澎湃新聞 2019/1/28

上載日期:
2019年04月17日