神秘的月球背面，中国即将抵达

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出品：科普中国

　　制作：寒木钓萌

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　中国的探月工程，最终要实现的目标，一是以机器人为代表，在月球建立无人月球科考站；二是载人登月；三是在月球建立有人基地。

　　为顺利实现这些目标，中国前期已经发射了嫦娥一号、嫦娥二号和嫦娥三号。

嫦娥一号轨道示意图。（图片来自中国探月与深空探测网）

　　嫦娥一号的主要任务是“绕”，也就是开展绕月探测。任务结束后，嫦娥一号于2009年3月1日受控撞月。

嫦娥二号轨道示意图（图片来自中国探月与深空探测网）

嫦娥三号轨道示意图。（图片来自中国探月与深空探测网）

　　嫦娥二号、三号和四号的主要任务是“落”，也就是实现月球软着陆和月面巡视勘察。

　　嫦娥四号

　　跟二号和三号不同的是，嫦娥四号是首次在月球背面着陆，并放出无人月球车，难度远超以往。

▲动图：从距离地球160万公里外的太空，深空气候观测卫星拍摄的月球画面上，只能看到月球背面。（图片来自NASA/EPIC）

　　由于潮汐锁定，自人类诞生以来，就从未有人在地球上见过月球背面，无形中，这给月球背面蒙上了一层神秘的面纱。

▲动图：图为潮汐锁定示意图，从地球上看不到月球背面。（图片来自Stigmatella aurantiaca）

▲动图：图为非潮汐锁定示意图，这种情况下能看到月球背面。（图片来自Stigmatella aurantiaca）

　　虽然历史上已经有多颗环月探测器对月球背面进行了遥感探测，但至今从未有航天员或探测器在月球背面着陆并进行实地探测。

　　相对于正面，在月球背面软着陆的难度要大得多。原因是月球挡住了电磁波，使得地球上难以遥控和指挥背面的探测器。

　　嫦娥未动，鹊桥先行

　　为解决这个大难题，2018年5月21日，中国已提前发射了鹊桥号中继卫星，此刻，它正运行在地月系第二拉格朗日点的Halo轨道上。

动图：鹊桥号始终位于月球背面，提供信号中继服务（图片来自吴伟仁等）

　　地月系的第二拉格朗日点是地球和月球的引力平衡点。在这个点周围，卫星只需耗用极少的燃料就能长期维持在轨道上。而鹊桥号是世界上第一颗运行于地月第二拉格朗日点的通信卫星。在95%的时间里，鹊桥号既面对月球的背面，又同时面对地球，完美充当数据传输的中继站。

　　困难多但优势明显

图片来自NASA

　　虽然在月球背面进行探测难度不小，但月球背面的好处也十分明显。

　　大名鼎鼎的500米口径球面射电望远镜FAST，其工作频率在70MHz至3GHz之间。要想在地球上进行频率低于10 MHz的射电天文观测是一件极其困难的事，原因来自于地球电离层的干扰。

　　即使是在大气层上空的地球轨道上，甚至是在月球正面进行射电天文观测时，同样也会受到地球电离层、闪电、极光，以及人工无线电的干扰。

　　但在月球背面建立射电天文观测站，则来自地球上的这些干扰就能迎刃而解。

　　超300摄氏度温差

　　月球上昼夜温差超过300摄氏度，为抵抗夜晚的低温，嫦娥四号上的月球车配置两种能源系统，一是两翼的太阳能面板，可在白天时进行发电。二是钚238同位素温差发电器，发电的同时提供源源不断的热量，以抵抗月球上最低零下196℃的低温。

图为正放出大量热量的钚238。（图片来自Cournoyer）

　　钚238半衰期为87.74年，衰变时释放阿尔法粒子，同时放出大量热，可自燃。温差发电器正是利用钚238发出的热来发电。

　　嫦娥四号的着陆点为月球南极，且处于月球背面艾特肯盆地内的某个撞击坑。

　　艾特肯盆地直径大约2500公里，深13公里，从坑底最深处到最高壁顶处落差大约16公里，这是太阳系已知的最大撞击坑之一，同时也是月球上最大、最深和最古老的撞击盆地。

▲图为月球南极且大部分处于月球背面的艾特肯盆地，红色代表高海拔地区、蓝色为低海拔地区。（图片来自Ittiz）

　　相信嫦娥四号上的月球车对这个古老盆地进行各种科学探测后，关于月球以及月球上最大盆地内的一些秘密会被揭晓出来。