李会超：嫦娥四号首探月之暗面，将揭开什么样的谜题
【文/ 观察者网专栏作者 李会超】
在2018年即将结束时，已经在年内取得丰硕成果的中国航天即将迎来一次重要的发射任务：嫦娥四号探测器将从西昌卫星发射中心，由长征3-B型运载火箭发射升空。在经过约27天的奔月旅程后，她将在地球上永远无法看到的“月之暗面”着陆，实现人造航天器首次在月球背面的软着陆，为探月二期工程画上一个圆满的句号，也将在科学上为人类带来许多全新的认识。
月之暗面，久藏玄冥
在农历每月之中，尽管有阴晴圆缺的月相变化，但月球却始终将自己的同一面朝向地球，似乎没有旋转。但实际上，月球在公转的同时也在自转。而我们之所以总看到月球的同一面，是因为它的公转周期和自转周期相同，均为27.3天（月相变化的周期为29.5天，多出的2.2天来自于地球绕太阳的公转）。这样，当月球向一个方向自传一定角度后，地球相对于月球的位置会向相同方向移动相同的角度，月球朝向地球的就总会是同一面了。
由于潮汐锁定效应，月球朝向地球的总是同一面
形成这种奇特现象的原因是地球与月球间的潮汐锁定现象。在地球与月球长期的相互作用中，月球朝向地球和背向地球部分的受力情况不尽相同，由此产生的潮汐力使的月球的自转周期和公转周期最终趋于一致。由于在地球上难以一睹月球背面的神秘面容，人们将月球背面冠以“月之暗面”（dark side of the moon）的别名。有人甚至想象过，月之暗面上存在着外星人的秘密基地或是敌对国家的核武器库。
左图为月球朝向地球的一面，右图为月球背向地球的一面，可见两者的地貌存在较大不同
但事实上，月之暗面并不是一个特别准确的称呼。除了满月的那天，月球背面和月球的其他部分一样，也能被太阳照射到。1959年，苏联发射的月球2号探测器第一次拍摄了月球背面的图像。随后，苏联、美国发射多艘飞船对月球进行全球探测，阿波罗8号和之后登月的宇航员们更用肉眼看到了月之暗面的独特景象：这里一片荒凉，没有秘密基地。这里见不到月球正面广泛存在的平坦的月海，取而代之的是密密麻麻、大小不一的撞击坑。
阿波罗16号宇航员拍摄的月球背面照片
虽然人类对月球背面已经有过探测，但那些探测都是由环绕月球飞行的探测器，从距离月球表面较远的轨道上完成的。随阿波罗17号完成人类最后一次登月的宇航员兼地质学家哈里森•施密特曾经向NASA提议，发射一艘新飞船，搭载宇航员到月球背面的齐奥尔科夫斯基撞击坑着陆，在那里展开探测。由于月球背面无法与地球直接建立通讯联系，要实现施密特的建议，还要额外发射一颗通讯中继卫星到月球附近。1969年，后来为多个太空任务设计过轨道的罗伯特•法夸尔，在他的博士论文中给出了地月通信中继卫星的轨道设计方案。然而，NASA的决策者认为在当时的技术条件下，这样的计划风险高、耗资大，加上美苏在探月方面的太空竞赛已经逐渐平息，该计划最终仅停留在了纸面上。
替补队员实现人类历史上的第一次
2013年12月2日，当嫦娥三号发射升空时，中国航天的仓库中还有一颗与嫦娥三号技术状态基本一致的备份星。如果嫦娥三号在发射或飞行过程中遭遇意外，这位“替补队员”将再次出发，完成嫦娥三号没有完成的任务。当嫦娥三号顺利完成探月工程二期着陆月球的目标时，科学家和工程师们也开始考虑将这位“替补队员”转正，在最大限度的利用现有产品的基础上对嫦娥三号的探测任务进行补充和拓展。在经过分析和研究后，这位替补队员被命名为嫦娥四号，并将成为人类历史上第一艘在月球背面软着陆的探测器。
玉兔号月球车
与嫦娥三号一样，嫦娥四号着陆器在月球表面着陆后，也将放出一台月球车（学名为“巡视器”）。而与嫦娥三号不同的是，为了在月球背面保持与地球的持续通信，还需要为嫦娥三号专门发射一颗中继通信卫星。今年5月，这颗被命名为“鹊桥”的中继星被长征4-C火箭发射，并成进入地月L2点的Halo轨道上，为嫦娥四号的到来做好了准备。
中继星执行通信中继任务的示意图
地月L2点的全称是地月第二拉格朗日点，定点在这里的卫星可以与月球同步绕着地球公转，始终处在地月连线的延长线上。而L2点的Halo轨道则是一条环绕L2点的轨道，在这里工作的中继星能够连续对地球表面的天线和月球背面的嫦娥四号可见，从而可以像一位传令兵一样连续提供地面与嫦娥四号间的通信中继服务。同时，这里还具备日照条件好、维持轨道所需能量低的优点。有趣的是，在此处部署中继星的想法，是由前文介绍过的罗伯特•法夸尔最先提出的。然而，首次实现这个想法的航天器，却来自中国。
（嫦娥四号和月球车组合飞行时的飞行器构型）
月球背面做好三件事
在地球大气层之上，还存在着由带电粒子组成的电离层。电离层对于不同频率的无线电信号有着不同的效应。如果从地球上某处发射频率在10MHz量级的电磁波，这束电磁波将会受到电离层的反射，能够传播到很远的地方。我们使用短波收音机接收来自大洋彼岸的广播信号时，利用的就是这个频段的无线电。而对于频率达到GHz级别的无线电信号，则会穿透电离层到达太空之中。
由于电离层的反射和地面无线电通信信号的干扰，很难在地面和近地轨道上接收太空中的天体发射的频率在10MHz以下射电信号，开展这个频段的射电天文观测。而在月球背面，不但已经远离了地球电离层，还通过月球本体屏蔽了来自地球的干扰。嫦娥四号将通过着陆器和中继星上搭载的射电频谱仪，开展频率范围在10MHz附近的低频射电天文观测，填补0.1~1MHz射电天文观测的估计空白。
太阳风暴对地球各技术系统的影响情况示意图
通过嫦娥四号的低频射电数据，科学家们可以揭开许多自然现象的谜题。例如，太阳风暴的爆发将引发地球附近的空间天气恶化，对航天、导航、通信、供电等一系列技术系统产生影响。太阳风暴爆发时，不但会喷射出大量高能带电粒子、高速等离子体，还会在射电波段引发剧烈的变化，形成射电爆。通过在月球表面的射电观测，科学家们将更为深入和准确的理解高能粒子在太阳附近的加速过程，以及太阳风暴从太阳传播到地球的过程中，其本身的结构与特征所发生的变化。这不但有助于我们更好的理解太空中所发生的现象，还能帮助科学家们更准确的进行空间天气预报。
此外，低频射电信号还可用于月球背面的地质特征与月球正面存在着巨大的差异，其形成这种差异的原因一直时科学家们希望搞清的问题。嫦娥4号的着陆点，选定在位于月球背面、月球南极的艾特肯撞击坑。这个撞击坑区域不但符合工程上对于航天器安全在月面着陆并开展工作的约束，还具备非常大的探测价值。艾特肯撞击坑被认为是太阳系内最大、最古老的撞击坑，保存了原始月球的岩石。同时，它的深度高达12000米，可能露出下月壳甚至月幔等圈层的物质，包含着有关月球内部物质的丰富信息。嫦娥四号和搭载的月球车，利用搭载的测月雷达对月壤厚度、浅层结构和撞击坑表面结构进行探测和研究，将有助于实现月球演化模型和理论的重大突破。
（嫦娥四号着陆区域示意图。图中的冯•卡门是艾特肯撞击坑中的一个区域，嫦娥四号即将在那着陆。）
表面物质的矿物成分也是行星探测的热点内容。由于月球背面之前从未有探测器踏足过，因此月球背面物质矿物成分的秘密也有待嫦娥四号解开。嫦娥四号月球车上配备了红外成像光谱仪，可以利用岩石的光谱信息识别其成分。在其他围绕月球的探测器对月球表面的遥感探测中，已经发现了嫦娥四号的着陆区富含镁和铁等元素，嫦娥四号的就地探测将带来这一区域矿物特征更详细的信息。通过这些信息，科学家们将有希望揭示该区域独特的地质演化历史，在国际上首次获取月球背面地形地貌、地质构造、物质成分、浅层结构等综合信息。
结语
2015年10月，国际天文联合会将嫦娥三号探测器的着陆地点命名为“广寒宫”，将附近三个撞击坑分别命名为“紫微”、“天市”、“太微” 。中国航天人用他们的智慧与辛劳，将祖先们对月球的美好幻想变成了月球上一片真实存在的区域。当嫦娥四号为中国航天带来一次“人类史上首次”的成就后，之后的嫦娥五号任务还将从月球采集样品并返回地球，为有朝一日实现中国的载人登月打下技术上的坚实基础。未来，对月球资源的开发利用，中国不会缺席；对月球科学奥秘的探索，中国也将会为人类贡献更多新的知识。
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