“巡天·觀地·測月”夢想實(shí)現(xiàn)

自2013年12月成功落月并開展巡視勘察以來，“嫦娥三號”的月面工作不僅創(chuàng)下多項(xiàng)世界紀(jì)錄，也實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家“巡天、觀地、測月”的夢想。那么，“嫦娥三號”究竟發(fā)現(xiàn)了什么？有哪些成果？

“嫦娥三號”任務(wù)背負(fù)著三大科學(xué)使命，即月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查，地球等離子體層探測和月基光學(xué)天文觀測。用中國科學(xué)院院士、中國探月工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)的話總結(jié)就是“巡天、觀地和測月”。

巡天——站在月亮上看星星

目前，“嫦娥三號”上還有唯一一臺(tái)仍在正常工作的科學(xué)儀器——月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的月基光學(xué)天文觀測，這在天文學(xué)界尚屬首次。

“嫦娥三號”探測器搭載的地形地貌相機(jī)拍攝的月表圖像（圖/新華社）

為什么要站在月亮上看星星？中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（下稱“西安光機(jī)所”）研究員薛彬介紹，對很多重要的天文變源來說，近紫外波段的觀測要比可見光波段有利。而月基觀測完全避開了地球大氣擾動(dòng)、臭氧分子吸收和拉曼散射等，使得近紫外觀測成為可能。

另一方面，月基的恒星周天運(yùn)動(dòng)要比地基慢27倍，可對天體進(jìn)行長時(shí)間的不間斷監(jiān)測，從而更徹底地揭示各種復(fù)雜的光變行為。

根據(jù)中科院國家天文臺(tái)研究員魏建彥的設(shè)想，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的監(jiān)測對象可劃分為四大類：激變變星等含致密星的相互作用雙星、活動(dòng)星系核、類太陽色球活動(dòng)星、天琴座RR等短周期脈動(dòng)變星。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的另一大亮點(diǎn)是變星研究上發(fā)現(xiàn)的一系列新的天文現(xiàn)象。如：發(fā)現(xiàn)一個(gè)罕見的處于雙星快速物質(zhì)交流演化過程中的天體，發(fā)現(xiàn)一批處于雙星慢速物質(zhì)交流演化過程中的樣本，發(fā)現(xiàn)一個(gè)處于六星系統(tǒng)中的半相接型密近雙星，發(fā)現(xiàn)密近雙星普遍存在于多星系統(tǒng)的可能性等。

為了實(shí)現(xiàn)“白天看星星”的愿景，西安光機(jī)所團(tuán)隊(duì)從光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真以及研制工藝等多個(gè)方面進(jìn)行控制，有效抑制了來自太陽的雜散光，降低了背景噪音。此外，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡還采用了不少新材料和新工藝，成功將系統(tǒng)重量控制在13千克左右。

深空天文設(shè)備的工作壽命一直是個(gè)難題，但月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡卻是一臺(tái)“長壽”的儀器。薛彬笑稱，這是因?yàn)樗袀€(gè)好“娘家”，還遇上了一個(gè)好“婆家”。

“嫦娥三號”著陸器和巡視器進(jìn)行互成像實(shí)驗(yàn)（圖/新華社）

西安光機(jī)所作為“娘家人”，事先將技術(shù)難題論證清楚，在設(shè)計(jì)和研制過程中嚴(yán)格控制，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的零缺陷交付。國家天文臺(tái)作為“婆家人”，直接參與了設(shè)備的研制和定標(biāo)，不僅非常了解它的性能，還合理地為它規(guī)劃了觀測任務(wù)。

“應(yīng)該說，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的成功為未來月球基地設(shè)備的工程技術(shù)積累了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)?！毖Ρ蛘f。

觀地——要識(shí)廬山真面目

“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中?！钡厍虻暮芏嗝孛埽袝r(shí)必須站得更遠(yuǎn)才能看清。

在地球磁層和電離層相互耦合的部位，含有大量等離子體，被稱為地球等離子體層。一般情況下，生活在地球表面的人類看不到等離子體層全貌。要想直接觀測它的結(jié)構(gòu)變化，就要到離地球比較遠(yuǎn)的地方?！版隙鹑枴钡穆湓绿綔y正好為科學(xué)家們提供了這樣一個(gè)寶貴的機(jī)會(huì)。

中科院國家天文臺(tái)研究員王華寧介紹，“嫦娥三號”著陸器上的極紫外相機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了月球表面定點(diǎn)大視場地球等離子體層觀測。這種“月球視角”彌補(bǔ)了過去研究的諸多盲點(diǎn)。

此前，美國曾利用橢圓軌道地球衛(wèi)星觀測地球等離子體層，獲得了大量的成像數(shù)據(jù)，但由于衛(wèi)星軌道傾角較大，只能在遠(yuǎn)地點(diǎn)從北極上空觀測等離子體在赤道面內(nèi)的情況。日本利用繞月衛(wèi)星對地球進(jìn)行短暫觀測，由于儀器故障和衛(wèi)星飛行時(shí)間的原因，使得觀測資料的質(zhì)量和數(shù)量都差強(qiáng)人意。

這次“嫦娥三號”的極紫外相機(jī)連續(xù)觀測了6個(gè)月，每月觀測數(shù)十小時(shí)，拍攝了一千多張高質(zhì)量地球等離子體層照片。

地球等離子體層邊界的變化取決于地磁活動(dòng)的情況，后者又受太陽活動(dòng)的影響。也就是說，等離子體層的變化本質(zhì)上是對太陽活動(dòng)的響應(yīng)。

在2014年4月19日到22日期間，地球磁場出現(xiàn)了多次亞暴活動(dòng)。利用這段時(shí)間“嫦娥三號”觀測到的等離子體邊界數(shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：在太陽活動(dòng)增強(qiáng)、地磁亞暴活躍的情況下，等離子體的邊界不僅沒有像通常預(yù)期的那樣收縮，而是膨脹了，其中的物理機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

測月——把地球化學(xué)研究搬到月球上

“我們把地質(zhì)工作者在地球上做的那一套搬到月球上來了！” 中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員林揚(yáng)挺不無自豪地說。

在“玉兔號”月球車上，設(shè)置有全景相機(jī)、紅外光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀和探月雷達(dá)等設(shè)備。

這四臺(tái)科學(xué)儀器的探測數(shù)據(jù)在國際上首次揭示了月球雨海區(qū)的火山演化歷史，表明月球在距今25億年前左右仍存在大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)，可能與該區(qū)域極富放射性元素有關(guān)，這一研究結(jié)果對理解月球演化有重要意義。

在國際上，“嫦娥三號”首次開展了測月雷達(dá)對著陸區(qū)月壤內(nèi)部與月殼淺層結(jié)構(gòu)探測，獲得了第一手月表就位探測數(shù)據(jù)?！版隙鹑枴敝憛^(qū)經(jīng)國際天文學(xué)會(huì)批準(zhǔn)，已正式命名為“廣寒宮”，測月雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)揭示了 “廣寒宮”的形成與演化歷史。

除一系列測月設(shè)備外，月基望遠(yuǎn)鏡的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)再次證明月球巖石中含有結(jié)構(gòu)水的礦物極少。月球表面存在極端稀薄的大氣（外逸層），其化學(xué)成分和含量的測量一直是個(gè)挑戰(zhàn)。其中最受關(guān)注的是水分子或羥基分子。

這次，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡檢測到的外逸層中羥基密度極低，僅為美國哈勃空間望遠(yuǎn)鏡獲得的上限的1%。這一探測精度比哈勃望遠(yuǎn)鏡的結(jié)果提高2個(gè)量級、比印度月船一號的結(jié)果提高5個(gè)量級，是迄今為止這一領(lǐng)域的最好結(jié)果。

與公眾理解的“月球無水”不同，林揚(yáng)挺說：“更準(zhǔn)確的表述是，月球很干，即便把它架在爐子上烤，也烤不出水來?！?/p>

歐陽自遠(yuǎn)介紹，“嫦娥三號”在無人月球探測“繞、落、回”三期戰(zhàn)略中，承擔(dān)了第二期“落月探測”的任務(wù)，處于承上啟下的地位。

在工程技術(shù)上，它繼承了第一期月球探測器沖出地球、奔向月球、月球俘獲、繞月軌道調(diào)整、測控通信、數(shù)據(jù)傳輸與接收等一系列關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用和提高。另一方面，“嫦娥三號”的成功實(shí)施為“嫦娥五號”的月球取樣返回提供了重要的技術(shù)支撐與經(jīng)驗(yàn)，如月面安全軟著陸過程，月面測控通信與數(shù)據(jù)傳輸接收等。（本刊綜合）