“巡天·觀地·測月”夢想實現

自2013年12月成功落月并開展巡視勘察以來，“嫦娥三號”的月面工作不僅創下多項世界紀錄，也實現了科學家“巡天、觀地、測月”的夢想。那么，“嫦娥三號”究竟發現了什么？有哪些成果？

“嫦娥三號”任務背負著三大科學使命，即月表形貌與地質構造調查，月表物質成分和可利用資源調查，地球等離子體層探測和月基光學天文觀測。用中國科學院院士、中國探月工程首任首席科學家歐陽自遠的話總結就是“巡天、觀地和測月”。

巡天——站在月亮上看星星

目前，“嫦娥三號”上還有唯一一臺仍在正常工作的科學儀器——月基光學望遠鏡。它實現了真正意義上的月基光學天文觀測，這在天文學界尚屬首次。

“嫦娥三號”探測器搭載的地形地貌相機拍攝的月表圖像（圖/新華社）

為什么要站在月亮上看星星？中科院西安光學精密機械研究所（下稱“西安光機所”）研究員薛彬介紹，對很多重要的天文變源來說，近紫外波段的觀測要比可見光波段有利。而月基觀測完全避開了地球大氣擾動、臭氧分子吸收和拉曼散射等，使得近紫外觀測成為可能。

另一方面，月基的恒星周天運動要比地基慢27倍，可對天體進行長時間的不間斷監測，從而更徹底地揭示各種復雜的光變行為。

根據中科院國家天文臺研究員魏建彥的設想，月基光學望遠鏡的監測對象可劃分為四大類：激變變星等含致密星的相互作用雙星、活動星系核、類太陽色球活動星、天琴座RR等短周期脈動變星。

月基光學望遠鏡的另一大亮點是變星研究上發現的一系列新的天文現象。如：發現一個罕見的處于雙星快速物質交流演化過程中的天體，發現一批處于雙星慢速物質交流演化過程中的樣本，發現一個處于六星系統中的半相接型密近雙星，發現密近雙星普遍存在于多星系統的可能性等。

為了實現“白天看星星”的愿景，西安光機所團隊從光學系統的設計、仿真以及研制工藝等多個方面進行控制，有效抑制了來自太陽的雜散光，降低了背景噪音。此外，這臺望遠鏡還采用了不少新材料和新工藝，成功將系統重量控制在13千克左右。

深空天文設備的工作壽命一直是個難題，但月基光學望遠鏡卻是一臺“長壽”的儀器。薛彬笑稱，這是因為它有個好“娘家”，還遇上了一個好“婆家”。

“嫦娥三號”著陸器和巡視器進行互成像實驗（圖/新華社）

西安光機所作為“娘家人”，事先將技術難題論證清楚，在設計和研制過程中嚴格控制，最終實現了設備的零缺陷交付。國家天文臺作為“婆家人”，直接參與了設備的研制和定標，不僅非常了解它的性能，還合理地為它規劃了觀測任務。

“應該說，月基光學望遠鏡的成功為未來月球基地設備的工程技術積累了非常寶貴的經驗?！毖Ρ蛘f。

觀地——要識廬山真面目

“不識廬山真面目，只緣身在此山中。”地球的很多秘密，有時必須站得更遠才能看清。

在地球磁層和電離層相互耦合的部位，含有大量等離子體，被稱為地球等離子體層。一般情況下，生活在地球表面的人類看不到等離子體層全貌。要想直接觀測它的結構變化，就要到離地球比較遠的地方?！版隙鹑枴钡穆湓绿綔y正好為科學家們提供了這樣一個寶貴的機會。

中科院國家天文臺研究員王華寧介紹，“嫦娥三號”著陸器上的極紫外相機首次實現了月球表面定點大視場地球等離子體層觀測。這種“月球視角”彌補了過去研究的諸多盲點。

此前，美國曾利用橢圓軌道地球衛星觀測地球等離子體層，獲得了大量的成像數據，但由于衛星軌道傾角較大，只能在遠地點從北極上空觀測等離子體在赤道面內的情況。日本利用繞月衛星對地球進行短暫觀測，由于儀器故障和衛星飛行時間的原因，使得觀測資料的質量和數量都差強人意。

這次“嫦娥三號”的極紫外相機連續觀測了6個月，每月觀測數十小時，拍攝了一千多張高質量地球等離子體層照片。

地球等離子體層邊界的變化取決于地磁活動的情況，后者又受太陽活動的影響。也就是說，等離子體層的變化本質上是對太陽活動的響應。

在2014年4月19日到22日期間，地球磁場出現了多次亞暴活動。利用這段時間“嫦娥三號”觀測到的等離子體邊界數據，科學家們發現了一個有趣的現象：在太陽活動增強、地磁亞暴活躍的情況下，等離子體的邊界不僅沒有像通常預期的那樣收縮，而是膨脹了，其中的物理機制有待進一步探討。

測月——把地球化學研究搬到月球上

“我們把地質工作者在地球上做的那一套搬到月球上來了！” 中科院地質與地球物理研究所研究員林揚挺不無自豪地說。

在“玉兔號”月球車上，設置有全景相機、紅外光譜儀、粒子激發X射線譜儀和探月雷達等設備。

這四臺科學儀器的探測數據在國際上首次揭示了月球雨海區的火山演化歷史，表明月球在距今25億年前左右仍存在大規?；鹕絿姲l，可能與該區域極富放射性元素有關，這一研究結果對理解月球演化有重要意義。

在國際上，“嫦娥三號”首次開展了測月雷達對著陸區月壤內部與月殼淺層結構探測，獲得了第一手月表就位探測數據。“嫦娥三號”著陸區經國際天文學會批準，已正式命名為“廣寒宮”，測月雷達的探測數據揭示了 “廣寒宮”的形成與演化歷史。

除一系列測月設備外，月基望遠鏡的一項發現再次證明月球巖石中含有結構水的礦物極少。月球表面存在極端稀薄的大氣（外逸層），其化學成分和含量的測量一直是個挑戰。其中最受關注的是水分子或羥基分子。

這次，月基光學望遠鏡檢測到的外逸層中羥基密度極低，僅為美國哈勃空間望遠鏡獲得的上限的1%。這一探測精度比哈勃望遠鏡的結果提高2個量級、比印度月船一號的結果提高5個量級，是迄今為止這一領域的最好結果。

與公眾理解的“月球無水”不同，林揚挺說：“更準確的表述是，月球很干，即便把它架在爐子上烤，也烤不出水來?！?/p>

歐陽自遠介紹，“嫦娥三號”在無人月球探測“繞、落、回”三期戰略中，承擔了第二期“落月探測”的任務，處于承上啟下的地位。

在工程技術上，它繼承了第一期月球探測器沖出地球、奔向月球、月球俘獲、繞月軌道調整、測控通信、數據傳輸與接收等一系列關鍵技術的應用和提高。另一方面，“嫦娥三號”的成功實施為“嫦娥五號”的月球取樣返回提供了重要的技術支撐與經驗，如月面安全軟著陸過程，月面測控通信與數據傳輸接收等。（本刊綜合）