嫦娥再赴廣寒宮,去月球背面「挖一勺」

  據中國國家航天局5月3日消息,長征五號遙八運載火箭成功發射,將嫦娥六號探測器送入預定軌道。
  2024年,中國探月工程20周年之際,此次「出征」舉足輕重——這將是人類首次在月球背面取樣並返回。此前人類探月史上,共對這顆衛星進行過10次採樣返回,但均位於其正面。神秘的月球背面,仍一直是未解之謎。
  2020年底圓滿收官的中國探月工程三期標誌嫦娥五號專案,從月球正面取回1731克月壤。從中,不僅發現了新礦物「嫦娥石」,還將科學界認知的月球岩漿活動結束時間推遲了8億~9億年,繼而將月球地質壽命「延長」了10億年。
  推此及彼,嫦娥新探月背,料想有望結出累累碩果。化用美國登月宇航員阿姆斯特朗的名言,可以說,中國前往月球背面「挖一小勺」,將刷新人類航太紀錄,成為瞭解宇宙向前邁出的一大步。
  月亮的「兩副面孔」
  無人月面取樣返回,早在嫦娥五號便首次成功實施。嫦娥六號作為其「備份星」,之所以更加引發全球關注,首先就在於月球獨特的「二分性」。
  由於地球對月球的潮汐鎖定效應,這顆衛星以同步自轉的方式繞地球公轉,意味著月球亙古以同一個面朝向地球,這才有了「正面」與「背面」之分。
  並且,探測研究發現,月球的正面和背面在地形地貌、元素分佈和地質特徵等方面,均存在著顯著且巨大的差異,這一現象就是月球的「二分性」。
  那麼,相較於人類欣賞和歌詠了萬年的正面,月亮神秘的另一面究竟是怎樣的?
  「嫦娥之父」、中國天體化學與地球化學家歐陽自遠在演講中曾提及,月球背面存在著這顆衛星上最為古老的岩石。嫦娥六號任務副總設計師王瓊在接受媒體採訪時,也作了一個對比——整體來說,背面的月壤更為古老,通過分析其物理特性和物質組成,可以更新人類掌握的「月球數據」。
  據嫦娥六號任務總設計師胡浩介紹,此次任務預選的著陸區為月球背面的南極——艾特肯盆地,不僅在月球上,這也是太陽系內公認的最大、最古老、最深的撞擊坑之一,其地質年齡距今已超42億年。
  選擇在此著陸的原因之一是,科學家推測,曾有一顆小行星或彗星高速撞擊過這一區域,很有可能將月球內部的部分地幔物質掀到了月面。故而,南極——艾特肯盆地是探測月球深部物質的一扇天然窗口,這裏的「土特產」對了解月球的形成演化歷史,有著極大的科學研究價值。
  不僅如此,與月球正面相比,月球背面的地貌特徵也更為獨特,隕石坑和高山比比皆是。
  科學家研究發現,月球背面的地殼相對較薄,更易因外界撞擊形成密集的隕石坑群,其分佈與月球的地殼構造息息相關。地質作用或撞擊事件還在月球背面形成了綿延陡峭的高山,其山體岩石的成分往往與月球正面大相徑庭—富含更多鐵、鎂等金屬元素。
  因此,採集月球背面的圖像和樣品,分析其坑窪起伏的「撞擊記錄」,可為進一步瞭解月球內部的物質構成提供寶貴資訊。
  此外,研究月球背面還有助於解除學界關於太陽系「晚期重轟擊」謎團的分歧。大約39億年前,曾有無數小天體對月球和地球「狂轟濫炸」,留下了大量撞擊盆地的痕跡。
  但科學家一直無法確定,這個撞擊高峰期是一個短期突發事件,還是逐步減弱的長期過程?而此次探測器帶回的樣本,將有望提供線索。
  嫦娥這趟「出差」,對探究地球生命起源也存在利好。一種科學猜想認為,孕育出原始生命的水和有機物質,正由撞擊地球的小行星或彗星攜帶而來。因此,造訪月球背面,對於揭示整個地——月系統的奧秘都有著重大意義。
  打破地月通信天塹
  儘管在地球上觀測月亮,背面存在著永不可見的「視野盲區」,然而通過衛星和探測器,尤其在嫦娥四號成功實現月球背面軟著陸以來,科學家仍然設法獲取到了一些月球背面的資訊。
  從已有圖像和數據可知,嫦娥六號面臨的將是比嫦娥五號更為複雜的環境挑戰。
  較之正面,崎嶇的月球背面讓探測器更難平穩降落。月球表面低窪平坦的區域被稱為「月海」,90%以上都分佈在月球的正面,而月球背面除了莫斯科海,基本沒有易於著陸的優質選點。
  回顧歷史,國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光,強調了地形不利給探測器帶來的威脅。蘇聯在1969—1970年間,曾出現無人探月五連敗,其中「月球-15」號採樣返回飛行器以毀壞告終,就是因為在探索新區域時遭遇複雜地形,降落時撞上了山脈。
  這一艱巨的挑戰,還因月球背面「通信盲區」的問題,被進一步放大。月球背面與地球相隔約38萬公里,漫長的距離導致無線電信號大幅衰減,加上鎖定效應下月球本體的阻擋,意味著那裏與地球間,存在無法即時交流的資訊孤島。
  為渡迢迢銀漢,在中國傳統文化中有「喜鵲搭橋」的唯美神話。以此為喻,早在嫦娥四號任務中,中國便成功部署了人類歷史上首個月球信號中繼衛星鵲橋一號,打破「盈盈一水間,脈脈不得語」的地月通信天塹。
  若用形象化的手法描述它的作用原理,就如同一個人照鏡子,無法看見自己的背影時,在身後支起的另一面鏡子——通過波的折射遞轉,繞過觀察的死角。
  輔助鵲橋發揮監測站職能的深空天線組陣系統,則由中國電科牽頭建設,佳木斯、喀什和阿根廷拉斯拉哈斯市等三大站構建,以多站接力模式為支持,基本保證無論地月間處於什麼位置,至少有一個站可以「看到」探測器,從而全程掌控任務設備狀態。
  美國航空航天局(NASA)局長威爾遜曾針對嫦娥探月答記者問,聲稱「不打算去永遠黑暗的月背浪費錢財」。但中國探月工程總設計師吳偉仁在央視《面對面》專訪中透露,鵲橋技術之先進,讓NASA都反口提出了延長其使用壽命的希望,好借「東風」將信標機投放到月球背面。
  2023年,中國科學技術大學馬來西亞籍副研究員劉敬祥透露,對於NASA借用鵲橋協助其登月的請求,中方已經同意。
  今年3月,為保障嫦娥六號在月背安全著陸、採集樣本、月面起飛、交匯對接和返回地球的全流程,升級版的「順風耳」鵲橋二號,則已先行一步「就位」月背上空。
  不過,一個無法回避的現實問題隨之而來:中繼通訊畢竟不如直接指揮,鵲橋不可能始終在嫦娥上方跟蹤,導致地面科研人員無法絕對掌握探測即時情況。
  然而細節決定成敗,在無人操作下規避樣本被污染和損毀的風險,萬無一失是題中之義。為此,中國獨創了月背智能採樣技術,以自動化、智能化技術擺脫地面即時監測這個大前提的桎梏,實現月壤「採集—包裝—轉移—封裝」一條龍。
  同樣獨步世界的,還有人類首次在繞月軌道實行航天器「無人交會對接」。
  此前,美國阿波羅計畫6次挖土、蘇聯3次無人採樣、中國嫦娥五號,都自月面起飛直接返回地球。所以,嘗試月球逆行軌道設計與控制技術,可謂「前無古人」——對接軌道的測算必須非常準確。
  儘管肩負測軌預報功能的鵲橋二號猶如一雙眼睛,在飛行器著陸和上升過程中出現軌道偏離等執行問題時,可以及時修正挽回,但增加了點傳輸環節,仍有可能在一定範圍內出現誤差。尤其當著陸器和上升器的組合體,以一千六七百米每秒的速度在繞月軌道上飛行時,意味著對接窗口極為狹窄。
  故而,嫦娥五號鑽取子系統飛控專家組成員肖龍評價,這將是嫦娥六號探月的最大技術難點。一旦起飛,飛行器進入正確軌道的機會只有一次。
  人類的未來是星辰大海
  在月球背面,科學家們已發現了氦-3的豐富儲藏。作為一種理想的核聚變燃料,若能開發氦-3資源,將為人類解決能源危機提供一種清潔高效的全新可能。此外,月球背面具備較好的遙感條件,可以在低干擾狀態下,更清晰地開展宇宙天體觀測。
  在上海的一場訪談中,《三體》的作者劉慈欣曾發感慨,地球只是浩渺宇宙中的一粒塵埃,人類作為一個整體生活在這塵埃上,我們的未來要著落於探索星辰大海。
  的確,開發星際資源已從科幻逐漸照進現實,而全人類休戚與共,合作而非競賽才是未來的主旋律。
  此次嫦娥六號出征,就搭載了歐洲的月表負離子分析儀、法國的氡氣探測載荷、義大利的鐳射角反射鏡、巴基斯坦的立方星等4個國家的衛星專案,攜手共同叩響月亮背面的大門。
  其中,尤以法國最為醒目。其計畫在月球南極進行採樣返回的25公斤科研設備載荷,不僅象徵著中法首次探月合作,更是法國首個登月專案,書就該國航太歷史上濃墨重彩的一筆。
  預計,嫦娥六號將著陸在南極—艾特肯盆地中,撞擊深度最深、月殼厚度最薄且直徑最大的阿波羅盆地南部邊緣。在600公里外的馮·卡門坑內,嫦娥四號和玉兔二號仍在兢兢業業地開展探測工作。
  中國登月的步伐加快,人類問天的征途不停。
  (小隱/文)