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“嫦娥三号”实现三大梦想
来源:     作者:      2016-10-08 11:39       

 

■本报见习记者 李晨阳

近日,“嫦娥三号”月球探测器公布了一批最新科研成果。“嫦娥三号”的月面工作,不仅创下多项世界纪录,也实现了科学家“巡天、观地、测月”的梦想。

据悉,“嫦娥三号”上共搭载了8台科学仪器,主要完成三大科研任务:巡天——月基近紫外望远镜巡天观测;观地——观察地球等离子体层的结构与密度变化;测月——调查月表形貌、地质构造和潜在资源;那么,“巡天、观地与测月”都有什么新发现呢?

巡天——站在月亮上看星星

目前,“嫦娥三号”上还有唯一一台仍在正常工作的科学仪器——月基光学望远镜。它实现了真正意义上的月基光学天文观测,这在国内外天文学界都属首次。

为什么要站在月亮上看星星呢?中科院西安光学精密机械研究所研究员薛彬告诉《中国科学报》记者,对很多重要的天文变源来说,近紫外波段的观测要比可见光波段有利。而月基观测完全避开了地球大气扰动、臭氧分子吸收和拉曼散射等,使得近紫外观测成为可能。

另一方面,月基的恒星周天运动要比地基慢上27倍,可以对天体进行长时间的不间断监测,从而更彻底地揭示各种复杂的光变行为。

根据中科院国家天文台研究员魏建彦的设想,月基光学望远镜的监测对象划分为四大类:激变变星等含致密星的相互作用双星、活动星系核、类太阳色球活动星、天琴座RR等短周期脉动变星。

月基光学望远镜的另一最大亮点是变星研究上发现的一系列新的天文现象。如:发现一个罕见的处于双星快速物质交流演化过程中的天体,发现一批处于双星慢速物质交流演化过程中的样本,发现一个处于六星系统中的半相接型密近双星,发现密近双星普遍存在于多星系统的可能性等。

为了实现“白天看星星”的愿景,西安光机所团队从光学系统的设计、仿真以及研制工艺等多个方面进行控制,有效抑制了来自太阳的杂散光,降低背景噪音。此外,这台望远镜还采用了不少新材料和新工艺,成功将系统重量控制在了13千克左右。

深空天文设备的工作寿命一直是个难以解决的问题,但是月基光学望远镜却是一台“长寿”的仪器。薛彬笑称,这是因为它有个好“娘家”,还遇上了一个好“婆家”。

西光所作为“娘家人”,事先将技术难题论证清楚,在设计和研制过程中严格控制,最终实现了设备的零缺陷交付。国家天文台作为“婆家人”,直接参与了设备的研制和定标,不仅非常了解它的性能,还很合理地为它规划了观测任务。

“应该说,月基光学望远镜的成功,为未来月球基地设备的工程技术积累了非常宝贵的经验。”薛彬说。

观地——要识庐山真面目

“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。地球的很多秘密,有时必须站得更远才能看清。

在地球磁层和电离层相互耦合的部位,含有大量等离子体,被称为地球等离子体层。一般情况下,生活在地球表面的人类看不到等离子体层全貌。要想直接观测它的结构变化,就要到离地球比较远的地方。“嫦娥三号”的落月探测,正好为科学家们提供了这样一个宝贵的机会。

据中科院国家天文台研究员王华宁介绍,“嫦娥三号”着陆器上的极紫外相机,首次实现了月球表面定点大视场地球等离子体层观测。这种“月球视角”,弥补了过去研究的诸多盲点。

此前,美国人曾利用椭圆轨道地球卫星观测地球等离子体层,获得了大量的成像数据,但由于卫星轨道倾角较大,只能在远地点从北极上空观测等离子体在赤道面内的情况;日本人利用绕月卫星对地球进行短暂观测,由于仪器故障和卫星飞行时间的原因使得观测资料的质量和数量都差强人意。

这次“嫦娥三号”的极紫外相机连续观测了6个月,每月观测数十小时,拍得了一千多张高质量地球等离子体层照片。

地球等离子体层边界的变化,取决于地磁活动的情况,后者又受太阳活动的影响。也就是说,等离子体层的变化本质上是对太阳活动的响应。

在2014年4月19日到22日之间,地球磁场出现了多次亚暴活动。利用这段时间“嫦娥三号”观测到的等离子体边界数据,科学家们发现了一个很有趣的现象:在太阳活动增强、地磁亚暴活跃的情况下,等离子体的边界不仅没有像通常预期的那样收缩,而是膨胀了,其中的物理机制有待进一步探讨。

“‘嫦娥三号’极紫外相机的观测不过是小试牛刀。”王华宁说。随着我国探月活动的深入展开,科研人员有机会在月球表面建立专门的月基对地观测站,进行长期、不间断的空间天气监测,他说:“这对于研究太阳活动影响下地球磁层和电离层的大尺度动力学过程,提高我国空间天气监测预报能力,具有重要的科学意义。”

测月——把地球化学研究搬到月亮上

“我们把地质工作者在地球上做的那一套,都搬到月球上来了!” 中科院地质与地球物理研究所研究员林扬挺不无自豪地说。

“嫦娥三号”的月球车“玉兔”上,设置有全景相机、红外光谱仪、粒子激发X射线谱仪和探月雷达等设备。

这四台科学仪器的探测数据,在国际上首次揭示了月球雨海区的火山演化历史,表明月球在距今25亿年前左右仍存在大规模火山喷发,可能与该区域极富放射性元素有关,这一研究结果对理解月球演化有重要意义。

在国际上,“嫦娥三号”首次开展了测月雷达对着陆区月壤内部与月壳浅层结构探测,获得了第一手月表就位探测数据。”嫦娥三号”着陆区经国际天文学会批准,已正式命名为“广寒宫”,测月雷达的探测数据,揭示了 “广寒宫”的形成与演化历史。

除一系列测月设备外,月基望远镜的一项发现,再一次证明月球岩石中含有结构水的矿物极少。月球表面存在极端稀薄的大气(外逸层),其化学成分和含量的测量一直是个挑战。其中最受关注的是水分子或羟基分子。

这次,月基光学望远镜检测到的外逸层中羟基密度极低,仅为美国哈勃空间望远镜获得的上限的1%。这一探测精度比哈勃望远镜的结果提高2个量级、比印度月船一号的结果提高5个量级,是迄今为止这一领域的最好结果。

与公众理解的“月球无水”不同,林扬挺说:“更准确的表述是,月球很干,即便把月亮架在炉子上烤,也烤不出水来。”

中国月球探测工程首席科学家、中科院院士欧阳自远告诉《中国科学报》记者,“嫦娥三号”在无人月球探测“绕、落、回”三期战略中,承担了第二期“落月探测”的任务,处于承上启下的地位。

在工程技术上,它继承了第一期月球探测器冲出地球、奔向月球、月球俘获、绕月轨道调整、测控通信、数据传输与接收等一系列关键技术的应用和提高。另一方面,“嫦娥三号”的成功实施,为嫦娥五号的月球取样返回提供了重要的技术支撑与经验,如月面安全软着陆过程,月面测控通信与数据传输接收等。