“嫦娥四号”将抢下月背探测头功 多国推月球计划登月事业迎来“文艺复兴”

黄琨

嫦娥

(图片来源于网络)

如果不出意外,人类首次探索月球背面的大工程即将于本月开始,而完成这项工程的,将是我国的“嫦娥四号”月球探测器。似乎是受到了中国探月计划的刺激,在沉寂近半个世纪后,以往的老牌航天强国和近年兴起的航天新锐也纷纷提出了自己的探月或登月计划。

按照计划,“嫦娥四号”将于12月8号,搭乘长征三号乙运载火箭,从四川西昌卫星发射中心发射升空。在接近月球后,包括登陆器和探测器在内的整体组件将会先进入月球轨道,然后再落向月球。“嫦娥四号”将是继2013年的“嫦娥三号”之后,我国第二艘在月球表面“软着陆”的飞船。如果登陆成功,“嫦娥四号”就将在这片陨石坑密布的土地上开展科学研究,包括人类首次在月球背面的无线电天文学试验,以及测试植物是否能在月球低重力环境中生长。

中国国家航天局(CNSA)的最终目标是建立一个月球基地,以此为根基,方便人类以后更大规模的探索。尽管还没有明确的时间表,明斯特威斯福州立大学行星地质学家博格特(Carolyn van der Bogert)仍评价称:“这次任务绝对是月球探测中一项关键而重要的成就。”

目前,国家航天局并未透露包括着陆点在内的诸多关键任务细节,外界推测,最有可能的登陆位置,应当是宽186公里的冯·卡门陨石坑。该陨石坑是月球南极艾特肯盆地的一部分,是太阳系中已知的最大的撞击构造,也是月球上最古老的撞击构造,其名字则来源于20世纪最伟大的航天工程学家冯·卡门,我国著名科学家钱伟长、钱学森、郭永怀都是他的亲传弟子。

香港理工大学的地理信息学家吴波(音)认为,坑内的地形地貌非常重要,了解这些构造,可能有助于回答月球早期历史的几个重要问题,包括它的内部构造和热演化。这个火山坑的地壳很薄,以至于可以看穿地幔。收集这个区域岩石的数据可以帮助科学家们更好地理解组成月球的岩层。

此外,近年来这片区域发现的大量冰更是魅力十足。这些冰可能是彗星或小行星撞击的残留,在永久的黑暗中得以幸存。由于没有阳光的直接照射,这些冰并没有发生升华或离解。探月科学家们已经达成共识,这块盆地将是月球基地的理想选址。这次嫦娥四号将进一步确认人类在这里生存并工作的可能。

天文专家们强调,尽管有“嫦娥一号”到“嫦娥三号”器的成功经验,“嫦娥四号”登陆月球背面,仍然有很大风险。因为过去有许多月球太空船拍回照片,太空船在飞临月球背面时,和地球之间的无线电通讯会暂时中断,必须等到飞出轨道之后才能恢复通讯。美国在执行在阿波罗任务时,服务舱的主引擎必须在月球背面的时候重新点火,在太空船重新出现之前,地球控制中心都会为此而非常紧张。

“嫦娥四号”探测器着陆后的任务,首先是绘制着陆点附近的地图,之后,它将用探地雷达测量地下层的厚度和形状,并用近红外光谱仪和红外光谱仪测量地表的矿物组成。地面上的地质学家需要相关数据,以了解月球的早期演化过程。

这时候,探测器就面临一个问题——月球背面永远背对地球,所以在着陆后,飞船的信号受到月球遮挡,无法直接和地球通讯。为了解决这个问题,今年5月,我国专门发射了一颗“鹊桥”号通讯中继卫星,在月球背面的空中,为两地通讯牵线搭桥。“鹊桥”目前工作在距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点使命轨道,将为落在月球背面的嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控和数传服务。

相较于“嫦娥三号”,“嫦娥四号”给月球带来了地球的特产——马铃薯和拟南芥种子。探测器将测试这些种子能否在月球表面低重力的密封、受气候控制的环境中发芽和进行光合作用。这一实验的意义将在以后显现,佛罗里达大学园艺科学家保罗(Anna-Lisa Paul)说:“如果我们想在月球或火星上长期居住,就需要温室设施,以及生物圈之类的环境。”

早前,科学家们已经在国际空间站中进行过类似实验,证明马铃薯和洋葱可以在低重力的受控生态系统中正常生长。不过,月球上的重力比空间站更低,对马铃薯来说是更严峻的考验。

着陆器部分则配备有射电天文学实验设备,其中包括一台中国科学院建成射电频谱仪,用来捕捉0.1至40兆赫之间的电磁信号,绘制一幅深空低频辐射图。荷兰射电天文学家法尔克(Heino Falcke)解释,在地球上,这些低频辐射会被大气层拒之门外,测量相当困难,“我们在探索低频信号上一片模糊”。

值得一提的是,法尔克也是我国一系列探月计划的参与者之一,他参与研发的低频无线电频谱仪此前搭载在了“鹊桥号”卫星上。利用探测的数据,天文学家或许能更加清楚濒死恒星们释放的能量是如何影响他们之间的气体,从而影响恒星形成的。

在月球探测器部署后,法尔克希望将月球实验数据和来自“鹊桥”的数据相结合。这些来自辐射光谱的数据可以滤除来自宇宙最初几亿年的北京噪音,从而让天文学家看清,在恒星、行星成型前,宇宙是什么样子。同时,人类或许有机会借此探测到暗物质的分布信息,但这纯属意外之喜,不在计划清单上。

另外,对于国际科学界来说,“嫦娥四号”最大的意义可能并非这些潜在的科学成果,而是中国的探月计划重新激起了各国科技竞赛的野心,欧洲航天局官员卡彭特(James Carpenter)更是将现阶段称作登月科技的“文艺复兴”。

人类对月球的探索始于20世纪中叶,当时美国和苏联为了争夺太空探索的主导权,以及通过科技成果展示政体优势,在太空竞赛中执行了大量的月球任务。在经过重重坎坷后,美国的阿波罗计划率先在1969年将人类送上了月球表面。卡彭特说,尽管这个时期的航天任务政治意义强于科学意义,但仍然为人类留下了“非凡的科学遗产”。

然而,在太空竞赛的高潮过后,苏联于1976年执行了最后一次月球任务,此后逐渐陷入经济困难的泥沼,美国也因为预算问题和国内政治环境,放弃了进一步探测月球的计划。此后,双方都将有限的资源投入太阳系其他领域的任务中,冷战结束后,全球2大科技强国更是要么失去了秀肌肉的能力,要么失去了秀肌肉的野心,人类航天科技的进步速度直线下滑。

可以看到,在80年代,没有任何国家进行过月球发射任务。

嫦娥

(图片来源于《自然》)

不过,在过去20中,月球探测的热度缓慢回升,虽然从未回到冷战巅峰水平,但各国将航天器送往月球轨道的次数明显上升。自1990年以来,美国、日本、中国、印度和欧洲等太空玩家已经发射了十几个月球轨道器。

当然,这些轨道探测器和真正的月球探测器是两码事,它们的主要任务,就是用当时最先进的成像技术和各种科学仪器,绘制当时最精确的月面地图。目前,这些轨道器最大的功劳,就是发现月球两级存在水冰。这些新发现,或许也是各国科技人员探索月球的热情重新燃起的原因之一。

在登月任务中,着陆位置是一个重要的考虑因素。早前,人类的登陆只集中在月球近地侧大抵相同的区域,所以他们获得的样本根本不能代表整个月球。月球科学家沃特金斯说,“我们有很大动力去获得更多的样品”,这也是“嫦娥四号”任务的意义之一。在此之后,俄罗斯和欧洲合作的“远景计划(PROSPECT)”打算将登陆器送到月球南极的地下,研究其资源开采的潜力。

说到登月竞赛,近期最大的成果就是上文提到的“嫦娥三号”,这是20世纪70年代以来,人类首次再将设备送上月面。随着“嫦娥四号”计划的推进,在这方面雄心勃勃的美国、印度、日本和俄罗斯也开始规划起自己的登月计划。

欧空局也曾提出在2030年左右,在月球南极建立月球村计划。近期规划就是前面说的“远景计划”,由欧空局与俄罗斯联邦航天局联合发射的无人月球探测器,从艾特肯盆地取回一些冰晶样本。

NASA也已经在探讨在月球南极建立基地的可能性。2014年,NASA的科学家们曾探讨过低成本的方案。从会议发表的论文可以看到,月球基地将模仿美国南极站的模式。

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