神秘的月球背面，中國即將抵達

　　出品：科普中國

　　製作：寒木釣萌

　　監製：中國科學院計算機網路信息中心

　　中國的探月工程，最終要實現的目標，一是以機器人為代表，在月球建立無人月球科考站；二是載人登月；三是在月球建立有人基地。

　　為順利實現這些目標，中國前期已經發射了嫦娥一號、嫦娥二號和嫦娥三號。

嫦娥一號軌道示意圖。（圖片來自中國探月與深空探測網）

　　嫦娥一號的主要任務是「繞」，也就是開展繞月探測。任務結束後，嫦娥一號於2009年3月1日受控撞月。

嫦娥二號軌道示意圖（圖片來自中國探月與深空探測網）

嫦娥三號軌道示意圖。（圖片來自中國探月與深空探測網）

　　嫦娥二號、三號和四號的主要任務是「落」，也就是實現月球軟著陸和月面巡視勘察。

　　嫦娥四號

　　跟二號和三號不同的是，嫦娥四號是首次在月球背面著陸，並放出無人月球車，難度遠超以往。

▲動圖：從距離地球160萬公里外的太空，深空氣候觀測衛星拍攝的月球畫面上，只能看到月球背面。（圖片來自NASA/EPIC）

　　由於潮汐鎖定，自人類誕生以來，就從未有人在地球上見過月球背面，無形中，這給月球背面蒙上了一層神秘的面紗。

▲動圖：圖為潮汐鎖定示意圖，從地球上看不到月球背面。（圖片來自Stigmatella aurantiaca）

▲動圖：圖為非潮汐鎖定示意圖，這種情況下能看到月球背面。（圖片來自Stigmatella aurantiaca）

　　雖然歷史上已經有多顆環月探測器對月球背面進行了遙感探測，但至今從未有航天員或探測器在月球背面著陸並進行實地探測。

　　相對於正面，在月球背面軟著陸的難度要大得多。原因是月球擋住了電磁波，使得地球上難以遙控和指揮背面的探測器。

　　嫦娥未動，鵲橋先行

　　為解決這個大難題，2018年5月21日，中國已提前發射了鵲橋號中繼衛星，此刻，它正運行在地月系第二拉格朗日點的Halo軌道上。

動圖：鵲橋號始終位於月球背面，提供信號中繼服務（圖片來自吳偉仁等）

　　地月系的第二拉格朗日點是地球和月球的引力平衡點。在這個點周圍，衛星只需耗用極少的燃料就能長期維持在軌道上。而鵲橋號是世界上第一顆運行於地月第二拉格朗日點的通信衛星。在95%的時間裡，鵲橋號既面對月球的背面，又同時面對地球，完美充當數據傳輸的中繼站。

　　困難多但優勢明顯

圖片來自NASA

　　雖然在月球背面進行探測難度不小，但月球背面的好處也十分明顯。

　　大名鼎鼎的500米口徑球面射電望遠鏡FAST，其工作頻率在70MHz至3GHz之間。要想在地球上進行頻率低於10 MHz的射電天文觀測是一件極其困難的事，原因來自於地球電離層的干擾。

　　即使是在大氣層上空的地球軌道上，甚至是在月球正面進行射電天文觀測時，同樣也會受到地球電離層、閃電、極光，以及人工無線電的干擾。

　　但在月球背面建立射電天文觀測站，則來自地球上的這些干擾就能迎刃而解。

　　超300攝氏度溫差

　　月球上晝夜溫差超過300攝氏度，為抵抗夜晚的低溫，嫦娥四號上的月球車配置兩種能源系統，一是兩翼的太陽能面板，可在白天時進行發電。二是鈈238同位素溫差發電器，發電的同時提供源源不斷的熱量，以抵抗月球上最低零下196℃的低溫。

圖為正放出大量熱量的鈈238。（圖片來自Cournoyer）

　　鈈238半衰期為87.74年，衰變時釋放阿爾法粒子，同時放出大量熱，可自燃。溫差發電器正是利用鈈238發出的熱來發電。

　　嫦娥四號的著陸點為月球南極，且處於月球背面艾特肯盆地內的某個撞擊坑。

　　艾特肯盆地直徑大約2500公里，深13公里，從坑底最深處到最高壁頂處落差大約16公里，這是太陽系已知的最大撞擊坑之一，同時也是月球上最大、最深和最古老的撞擊盆地。

▲圖為月球南極且大部分處於月球背面的艾特肯盆地，紅色代表高海拔地區、藍色為低海拔地區。（圖片來自Ittiz）

　　相信嫦娥四號上的月球車對這個古老盆地進行各種科學探測後，關於月球以及月球上最大盆地內的一些秘密會被揭曉出來。

　　（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

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