李會超：嫦娥四號首探月之暗面，將揭開什麼樣的謎題

【文/ 觀察者網專欄作者 李會超】

在2018年即將結束時，已經在年內取得豐碩成果的中國航天即將迎來一次重要的發射任務：嫦娥四號探測器將從西昌衞星發射中心，由長征3-B型運載火箭發射升空。在經過約27天的奔月旅程後，她將在地球上永遠無法看到的“月之暗面”着陸，實現人造航天器首次在月球背面的軟着陸，為探月二期工程畫上一個圓滿的句號，也將在科學上為人類帶來許多全新的認識。

月之暗面，久藏玄冥

在農曆每月之中，儘管有陰晴圓缺的月相變化，但月球卻始終將自己的同一面朝向地球，似乎沒有旋轉。但實際上，月球在公轉的同時也在自轉。而我們之所以總看到月球的同一面，是因為它的公轉週期和自轉週期相同，均為27.3天（月相變化的週期為29.5天，多出的2.2天來自於地球繞太陽的公轉）。這樣，當月球向一個方向自傳一定角度後，地球相對於月球的位置會向相同方向移動相同的角度，月球朝向地球的就總會是同一面了。

由於潮汐鎖定效應，月球朝向地球的總是同一面

形成這種奇特現象的原因是地球與月球間的潮汐鎖定現象。在地球與月球長期的相互作用中，月球朝向地球和背向地球部分的受力情況不盡相同，由此產生的潮汐力使的月球的自轉週期和公轉週期最終趨於一致。由於在地球上難以一睹月球背面的神秘面容，人們將月球背面冠以“月之暗面”（dark side of the moon）的別名。有人甚至想象過，月之暗面上存在着外星人的秘密基地或是敵對國家的核武器庫。

左圖為月球朝向地球的一面，右圖為月球背向地球的一面，可見兩者的地貌存在較大不同

但事實上，月之暗面並不是一個特別準確的稱呼。除了滿月的那天，月球背面和月球的其他部分一樣，也能被太陽照射到。1959年，蘇聯發射的月球2號探測器第一次拍攝了月球背面的圖像。隨後，蘇聯、美國發射多艘飛船對月球進行全球探測，阿波羅8號和之後登月的宇航員們更用肉眼看到了月之暗面的獨特景象：這裏一片荒涼，沒有秘密基地。這裏見不到月球正面廣泛存在的平坦的月海，取而代之的是密密麻麻、大小不一的撞擊坑。

阿波羅16號宇航員拍攝的月球背面照片

雖然人類對月球背面已經有過探測，但那些探測都是由環繞月球飛行的探測器，從距離月球表面較遠的軌道上完成的。隨阿波羅17號完成人類最後一次登月的宇航員兼地質學家哈里森•施密特曾經向NASA提議，發射一艘新飛船，搭載宇航員到月球背面的齊奧爾科夫斯基撞擊坑着陸，在那裏展開探測。由於月球背面無法與地球直接建立通訊聯繫，要實現施密特的建議，還要額外發射一顆通訊中繼衞星到月球附近。1969年，後來為多個太空任務設計過軌道的羅伯特•法夸爾，在他的博士論文中給出了地月通信中繼衞星的軌道設計方案。然而，NASA的決策者認為在當時的技術條件下，這樣的計劃風險高、耗資大，加上美蘇在探月方面的太空競賽已經逐漸平息，該計劃最終僅停留在了紙面上。

替補隊員實現人類歷史上的第一次

2013年12月2日，當嫦娥三號發射升空時，中國航天的倉庫中還有一顆與嫦娥三號技術狀態基本一致的備份星。如果嫦娥三號在發射或飛行過程中遭遇意外，這位“替補隊員”將再次出發，完成嫦娥三號沒有完成的任務。當嫦娥三號順利完成探月工程二期着陸月球的目標時，科學家和工程師們也開始考慮將這位“替補隊員”轉正，在最大限度的利用現有產品的基礎上對嫦娥三號的探測任務進行補充和拓展。在經過分析和研究後，這位替補隊員被命名為嫦娥四號，並將成為人類歷史上第一艘在月球背面軟着陸的探測器。

玉兔號月球車

與嫦娥三號一樣，嫦娥四號着陸器在月球表面着陸後，也將放出一台月球車（學名為“巡視器”）。而與嫦娥三號不同的是，為了在月球背面保持與地球的持續通信，還需要為嫦娥三號專門發射一顆中繼通信衞星。今年5月，這顆被命名為“鵲橋”的中繼星被長征4-C火箭發射，併成進入地月L2點的Halo軌道上，為嫦娥四號的到來做好了準備。

中繼星執行通信中繼任務的示意圖

地月L2點的全稱是地月第二拉格朗日點，定點在這裏的衞星可以與月球同步繞着地球公轉，始終處在地月連線的延長線上。而L2點的Halo軌道則是一條環繞L2點的軌道，在這裏工作的中繼星能夠連續對地球表面的天線和月球背面的嫦娥四號可見，從而可以像一位傳令兵一樣連續提供地面與嫦娥四號間的通信中繼服務。同時，這裏還具備日照條件好、維持軌道所需能量低的優點。有趣的是，在此處部署中繼星的想法，是由前文介紹過的羅伯特•法夸爾最先提出的。然而，首次實現這個想法的航天器，卻來自中國。

（嫦娥四號和月球車組合飛行時的飛行器構型）

月球背面做好三件事

在地球大氣層之上，還存在着由帶電粒子組成的電離層。電離層對於不同頻率的無線電信號有着不同的效應。如果從地球上某處發射頻率在10MHz量級的電磁波，這束電磁波將會受到電離層的反射，能夠傳播到很遠的地方。我們使用短波收音機接收來自大洋彼岸的廣播信號時，利用的就是這個頻段的無線電。而對於頻率達到GHz級別的無線電信號，則會穿透電離層到達太空之中。

由於電離層的反射和地面無線電通信信號的干擾，很難在地面和近地軌道上接收太空中的天體發射的頻率在10MHz以下射電信號，開展這個頻段的射電天文觀測。而在月球背面，不但已經遠離了地球電離層，還通過月球本體屏蔽了來自地球的干擾。嫦娥四號將通過着陸器和中繼星上搭載的射電頻譜儀，開展頻率範圍在10MHz附近的低頻射電天文觀測，填補0.1~1MHz射電天文觀測的估計空白。

太陽風暴對地球各技術系統的影響情況示意圖

通過嫦娥四號的低頻射電數據，科學家們可以揭開許多自然現象的謎題。例如，太陽風暴的爆發將引發地球附近的空間天氣惡化，對航天、導航、通信、供電等一系列技術系統產生影響。太陽風暴爆發時，不但會噴射出大量高能帶電粒子、高速等離子體，還會在射電波段引發劇烈的變化，形成射電爆。通過在月球表面的射電觀測，科學家們將更為深入和準確的理解高能粒子在太陽附近的加速過程，以及太陽風暴從太陽傳播到地球的過程中，其本身的結構與特徵所發生的變化。這不但有助於我們更好的理解太空中所發生的現象，還能幫助科學家們更準確的進行空間天氣預報。

此外，低頻射電信號還可用於月球背面的地質特徵與月球正面存在着巨大的差異，其形成這種差異的原因一直時科學家們希望搞清的問題。嫦娥4號的着陸點，選定在位於月球背面、月球南極的艾特肯撞擊坑。這個撞擊坑區域不但符合工程上對於航天器安全在月面着陸並開展工作的約束，還具備非常大的探測價值。艾特肯撞擊坑被認為是太陽系內最大、最古老的撞擊坑，保存了原始月球的岩石。同時，它的深度高達12000米，可能露出下月殼甚至月幔等圈層的物質，包含着有關月球內部物質的豐富信息。嫦娥四號和搭載的月球車，利用搭載的測月雷達對月壤厚度、淺層結構和撞擊坑表面結構進行探測和研究，將有助於實現月球演化模型和理論的重大突破。

（嫦娥四號着陸區域示意圖。圖中的馮•卡門是艾特肯撞擊坑中的一個區域，嫦娥四號即將在那着陸。）

表面物質的礦物成分也是行星探測的熱點內容。由於月球背面之前從未有探測器踏足過，因此月球背面物質礦物成分的秘密也有待嫦娥四號解開。嫦娥四號月球車上配備了紅外成像光譜儀，可以利用岩石的光譜信息識別其成分。在其他圍繞月球的探測器對月球表面的遙感探測中，已經發現了嫦娥四號的着陸區富含鎂和鐵等元素，嫦娥四號的就地探測將帶來這一區域礦物特徵更詳細的信息。通過這些信息，科學家們將有希望揭示該區域獨特的地質演化歷史，在國際上首次獲取月球背面地形地貌、地質構造、物質成分、淺層結構等綜合信息。

結語

2015年10月，國際天文聯合會將嫦娥三號探測器的着陸地點命名為“廣寒宮”，將附近三個撞擊坑分別命名為“紫微”、“天市”、“太微” 。中國航天人用他們的智慧與辛勞，將祖先們對月球的美好幻想變成了月球上一片真實存在的區域。當嫦娥四號為中國航天帶來一次“人類史上首次”的成就後，之後的嫦娥五號任務還將從月球採集樣品並返回地球，為有朝一日實現中國的載人登月打下技術上的堅實基礎。未來，對月球資源的開發利用，中國不會缺席；對月球科學奧秘的探索，中國也將會為人類貢獻更多新的知識。

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