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月球背面有些什么?探测有多难?“嫦娥”之手揭开神秘面纱
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核心提示:嫦娥一号卫星的主要探测目标是:获取月球表面的三维立体影像;分析月球表面有用元素的含量和物质类型的分布特点;探测月壤厚度和地球至月亮的空间环境。

嫦娥一号卫星是我国首颗绕月人造卫星,由中国空间技术研究院承担研制,预设寿命为1年。

嫦娥一号卫星的主要探测目标是:获取月球表面的三维立体影像;分析月球表面有用元素的含量和物质类型的分布特点;探测月壤厚度和地球至月亮的空间环境。

嫦娥一号卫星于2007年10月24日在西昌卫星发射中心升空,2009年3月1日完成使命,撞向月球预定地点。

嫦娥二号是中国探月工程二期的技术先导星,于2010年10月1日在西昌卫星发射中心发射升空并顺利进入地月转移轨道。

嫦娥二号完成了一系列工程与科学目标,获得了分辨率优于10米月球表面三维影像、月球物质成分分布图等资料,2011年4月1日展开拓展试验,完成进入日地拉格朗日L2点环绕轨道进行深空探测等试验,此后飞越小行星4179成功进行再拓展试验,嫦娥二号工程随之收官。

嫦娥三号探测器是中国第一个月球软着陆的无人登月探测器,于2013年12月2日在中国西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭送入太空,当月14日成功软着陆于月球雨海西北部,15日完成着陆器巡视器分离,并陆续开展了“观天、看地、测月”的科学探测和其它预定任务,取得一定成果。

2013年12月16日,中国官方宣布嫦娥三号任务获得成功。

编者按

国防科工局最近宣布,我国嫦娥四号任务已经通过探月工程重大专项领导小组审议通过,正式开始实施。在嫦娥三号探测器取得工程意义上的成功后,按照计划,嫦娥四号将在2018年发射,实现人类航天器在月球背面的首次着落。

古今中外,有关月球的传说多如天上的星星。虽然月球距离地球最近,人们用肉眼就能看到它东升西落的身影,但它却一直蒙着层神秘的面纱,若隐若现,不让人看到其真实面目,让人探究之心与日俱增。

为何在地球上看不到月球背面?月球背面有何神奇之处?探测月球背面难在哪儿?为什么要探测月球背面?这些来自“嫦娥”迷们的“月球之问”,将由中国科学院国家天文台副研究员郑永春来作答。

为何看不到月球背面?

月球背面之所以显得神秘,原因在于我们无法从地球上直接观测到它。月球为什么会出现正面和背面,首先要从它的运动说起。

月球可以被视作一个刚性的球体,它的运动可分为质心的运动(公转)和环绕质心的转动(自转)两部分。在研究月球的质心运动时,我们通常将月球和地球近似视为全部质量集中在质心的质点,并且只有彼此相互吸引的引力作用,构成地月系统。

由于地球由西向东自转,所以天体都是从东方升起到西方落下。月球也不例外,我们每天看到的月球东升西落,实际上是月球绕地球在星座间自西向东移动,反映了地球的自转运动。月球绕地球一周经历的时间称为一个“恒星月”,历时27天7小时43分11.47秒。

之所以称为“恒星月”,因为这是以恒星定标的,即月球从某颗恒星的近旁出发,又返回到该星附近同一位置的时间间隔。月球在自己的轨道上绕地球运行的平均速度为1.02千米/秒。平均每天东移13度。因此,月球每天升起的时间是不同的,有时候白天升起,有时候晚上升起,升起时间平均每天比前一天推迟50分钟,一个月之后,又恢复原来的升起时间。

月球背向地球的半球离地球较远,受到的地球引力较面向地球的半球小,即月球的腹背受力是不同的。如果月球自转周期与绕地球的公转周期不相等,那么月球上同一部位受到的地球引力是随时间变化的,将导致月球不同岩层之间摩擦,逐渐减慢自转的速度,最终使得月球自转的周期恰好等于它绕地球公转的周期,即月球被地球的引力潮汐锁定。潮汐锁定后,从地球上看月球,就永远只能看到月球的一面。

月球背面有些什么?

迄今为止,还没有航天器登陆过月球背面,但科学家并不缺乏月球背面的探测数据。

1959年,苏联发射的月球2号探测器在飞越月球时,第一次拍到了月球背面的图像。上世纪六七十年代,美国和苏联的月球探测器多次获得了月球背面图像,阿波罗8号宇航员以及之后登月的阿波罗宇航员都飞到了背面,从月球上空亲眼看到了月球之背的荒凉景象。

21世纪以来,美国、中国、印度、日本、欧洲的月球探测器对月球进行了更高分辨率的详细探测。自2003年以来的12年中,已经有包括嫦娥一号、二号、三号在内的11个月球探测器飞临月球,获得了大量的探测数据。

所有这些探月任务都没有在月球背面发现外星人的基地,也没有发现任何人工建筑物或人为活动的痕迹。月球背面看起来,只是一片保存了40亿年之久的荒凉大陆。

整体上,月球表面可分为月海和月陆两大地理单元。月海是指月球上大片颜色较深的黑斑区域,实际上是一些宽广的平原,一滴水也没有。这些区域对太阳光的反射比较弱,看上去比周围更暗一些,很像地球上的海洋,约占月表面积的17%。月球上共有22个月海,其中19个分布在月球的正面。

除月海外,月球上颜色较浅的部分类似地球上的“陆地”,称为月陆。根据月球形成的大碰撞学说,46亿年前,一颗火星大小的天体撞击原始地球,撞击抛射物质在地球轨道形成了月球。月球形成后出现全球性的岩浆熔融,熔融岩浆在冷却过程中发生结晶和分异,密度较重的物质被下沉到月幔,而密度较轻的物质漂浮在月球表面,冷却凝固后形成了古老的月壳。月海则是在月壳形成后,从月壳裂缝中涌出的岩浆形成的。因此,月陆比月海更古老。

月陆的主要成分是密度较轻的斜长岩,反射率较高,看上去比较明亮。整体上,月陆面积约占月球表面积的83%。月球正面的月陆与月海面积大致相等,但月球背面月陆占据着绝对主导地位。

不管是月海还是月陆,整个月球表面都分布着密密麻麻的撞击坑,记录着40多亿年来小天体撞击月球留下的痕迹。月球正面以地形平坦、月海居多,背面颜色较亮,月陆居多,撞击坑分布密度也比正面高,地形更崎岖。因此,嫦娥四号的着陆区选择将是一个亟待解决的重要问题。

探测月球之背有多难?

在月球背面飞行和着陆的探测器,由于月球本身的阻挡,不能直接和地面进行无线电通信。地面控制人员无法了解到飞船的运行状况,也无法把测控信号传输给飞船进行各种操作。

如果是飞行在月球上空数十至上百千米高度的探月卫星,在通信中断的情况下,还可以依照惯性保持原姿态继续飞行。若是月球车或者登月舱要成功着陆在月背面,则需要实时测量飞行轨道,发送测控信号以调整降落速度和着陆姿态,才能实现安全着陆。因此,要确保嫦娥四号在月球背面安全着陆,首先需发射一颗中继卫星,建立探测器和地面之间的通信联系,通过中继卫星传输数据和发送测控信号。

为何要探测月球之背?

对天文学研究而言,月球背面是一片难得的宁静之地。接收遥远天体发出的射电辐射,是研究天体的重要手段,称为射电观测。由于这些天体的距离遥远,电磁信号十分微弱,在地球上,日常生产生活的电磁环境会对射电天文观测产生显著干扰。所以天文学家一直希望找到一片完全宁静的地区,监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。月球背面屏蔽了来自地球的各种无线电干扰信号,因而可以监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号,为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。

除此之外,月球背面更为古老,保留着更为原始的状态,具有不同于月球正面的地质构造,对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。而地球上经历了多次沧海桑田,早期地质历史的痕迹早已消失殆尽,我们只能寄望于从月球上仍保存完好的地质记录中挖掘地球的早期历史。

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