嫦娥四号首次在月球背面着陆:神秘的月球背面,中国即将抵达

出品:科普中国制作:寒木钓萌监制:中国科学院计算机网络信息中心

中国的探月工程,最终要实现的目标,一是以机器人为代表,在月球建立无人月球科考站;二是载人登月;三是在月球建立有人基地。

为顺利实现这些目标,中国前期已经发射了嫦娥一号、嫦娥二号和嫦娥三号。

嫦娥一号轨道示意图。(图片来自中国探月与深空探测网)

嫦娥一号的主要任务是“绕”,也就是开展绕月探测。任务结束后,嫦娥一号于2009年3月1日受控撞月。

嫦娥二号轨道示意图(图片来自中国探月与深空探测网)

嫦娥三号轨道示意图。(图片来自中国探月与深空探测网)

嫦娥二号、三号和四号的主要任务是“落”,也就是实现月球软着陆和月面巡视勘察。

嫦娥四号

跟二号和三号不同的是,嫦娥四号是首次在月球背面着陆,并放出无人月球车,难度远超以往。

动图:从距离地球160万公里外的太空,深空气候观测卫星拍摄的月球画面上,只能看到月球背面。(图片来自NASA/EPIC)

由于潮汐锁定,自人类诞生以来,就从未有人在地球上见过月球背面,无形中,这给月球背面蒙上了一层神秘的面纱。

动图:图为潮汐锁定示意图,从地球上看不到月球背面。(图片来自Stigmatella aurantiaca)

动图:图为非潮汐锁定示意图,这种情况下能看到月球背面。(图片来自Stigmatella aurantiaca)

虽然历史上已经有多颗环月探测器对月球背面进行了遥感探测,但至今从未有航天员或探测器在月球背面着陆并进行实地探测。

相对于正面,在月球背面软着陆的难度要大得多。原因是月球挡住了电磁波,使得地球上难以遥控和指挥背面的探测器。

嫦娥未动,鹊桥先行

为解决这个大难题,2018年5月21日,中国已提前发射了鹊桥号中继卫星,此刻,它正运行在地月系第二拉格朗日点的Halo轨道上。

动图:鹊桥号始终位于月球背面,提供信号中继服务(图片来自吴伟仁等)

地月系的第二拉格朗日点是地球和月球的引力平衡点。在这个点周围,卫星只需耗用极少的燃料就能长期维持在轨道上。而鹊桥号是世界上第一颗运行于地月第二拉格朗日点的通信卫星。在95%的时间里,鹊桥号既面对月球的背面,又同时面对地球,完美充当数据传输的中继站。

困难多但优势明显

图片来自NASA

虽然在月球背面进行探测难度不小,但月球背面的好处也十分明显。

大名鼎鼎的500米口径球面射电望远镜FAST,其工作频率在70MHz至3GHz之间。要想在地球上进行频率低于10 MHz的射电天文观测是一件极其困难的事,原因来自于地球电离层的干扰。

即使是在大气层上空的地球轨道上,甚至是在月球正面进行射电天文观测时,同样也会受到地球电离层、闪电、极光,以及人工无线电的干扰。

但在月球背面建立射电天文观测站,则来自地球上的这些干扰就能迎刃而解。

超300摄氏度温差

月球上昼夜温差超过300摄氏度,为抵抗夜晚的低温,嫦娥四号上的月球车配置两种能源系统,一是两翼的太阳能面板,可在白天时进行发电。二是钚238同位素温差发电器,发电的同时提供源源不断的热量,以抵抗月球上最低零下196℃的低温。

图为正放出大量热量的钚238。(图片来自Cournoyer)

钚238半衰期为87.74年,衰变时释放阿尔法粒子,同时放出大量热,可自燃。温差发电器正是利用钚238发出的热来发电。

嫦娥四号的着陆点为月球南极,且处于月球背面艾特肯盆地内的某个撞击坑。

艾特肯盆地直径大约2500公里,深13公里,从坑底最深处到最高壁顶处落差大约16公里,这是太阳系已知的最大撞击坑之一,同时也是月球上最大、最深和最古老的撞击盆地。

图为月球南极且大部分处于月球背面的艾特肯盆地,红色代表高海拔地区、蓝色为低海拔地区。(图片来自Ittiz)

相信嫦娥四号上的月球车对这个古老盆地进行各种科学探测后,关于月球以及月球上最大盆地内的一些秘密会被揭晓出来。