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“嫦娥三号”公布最新科研成果,创多项世界记录

2016年08月01日 10:06 来源于 财新网
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嫦娥三号的科学研究应用成果丰硕,得到了国际同行专家的认可和高度评价

  编者按:       

   “嫦娥三号”月球探测器自2013年12月成功着陆月球之后,已经在月球停留超过两年半时间,创下在月球表面工作时间最长的世界纪录。 “嫦娥三号”获得的大量数据已经形成了丰硕的科研成果,其中多项成果属于世界首次,得到了国际同行的认可。嫦娥三号究竟有哪些新发现?作者将为你一一梳理。

   撰文 | 张巧玲(中国科学院月球与深空探测总体部)

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  2013年12月2日,中国成功发射嫦娥三号探测器,12月14日嫦娥三号成功软着陆于月球雨海西北部,12月15日着陆器与巡视器(月球车)分离。此后,嫦娥三号搭载的八台科学仪器陆续开展了“观天、看地、测月”的科学探测和其它预定任务。据统计,从2013年12月2日-2016年6月30日,嫦娥三号探测器历时32个月球白昼开展科学探测。嫦娥三号究竟发现了什么?有哪些成果? 

   获取丰富探测数据

  据统计,截至2016年6月30日,中国探月工程地面应用系统归档嫦娥三号各类数据共计7.07TB。其中,原始数据1.97TB。

  根据《嫦娥三号数据发布和管理规定》,地面应用系统及时向国防科工局探月与航天工程中心、新闻宣传中心,中国空间技术研究院、中国科学院月球与深空探测总体部、上海技术物理研究所、光电研究院、高能物理研究所等28家单位无偿发布了嫦娥三号任务的科学探测数据。

  此外,地面应用系统的探月数据发布系统通过网站及时公布了嫦娥三号任务着陆器和月球车上八台科学仪器获得的2级科学数据、最新探测图片和视频。截至2016年6月30日,共5418名注册用户从网络获取了探月工程数据。

  嫦娥三号的科学探测数据也引起了国际同行的广泛关注。今年1月21日,美国行星协会科普作家艾米莉·拉卡戴瓦拉就从中国探月工程地面应用系统探月数据发布系统获取了嫦娥三号全景相机和地形地貌相机的探测数据,简单处理后发布在个人网站上,高清的月球照片获得了国际社会的高度赞赏。

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 ►嫦娥三号着陆器在月面工作的照片,由玉兔号月球车拍摄

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  ►玉兔号月球车的月面工作照片,由嫦娥三号着陆器拍摄

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  ►玉兔号月球车开展月面巡视探测。远处月球白昼的天空一片漆黑

   “观天、看地、测月”成果丰富

  嫦娥三号任务背负着三大科学使命,即月表形貌与地质构造调查;月表物质成分和可利用资源调查;地球等离子体层探测和月基光学天文观测。用中国科学院院士、中国探月工程首任首席科学家欧阳自远的话总结就是“观天、看地和测月”。

  “观天”:至今仍在工作

  嫦娥三号在国际上首次实现了月基近紫外巡天观测,填补了国际上GALEX卫星巡天在低银纬天区的部分空白,月基光学望远镜也是嫦娥三号上目前唯一仍在正常工作的科学仪器。

  截至2016年6月,月基光学望远镜进行了4940小时的巡天观测,获得23.3万张图像数据。

  2015年,月基光学望远镜研究团队在《行星与空间科学》发表最新研究成果,提出月球外逸层中的羟基(水)密度的上限(柱密度<1011cm−2,体密度不高于~104cm−3),探测精度比哈勃望远镜的结果提高2个量级、比印度月船一号的结果提高5个量级,是迄今为止这一领域的最好结果。

  月基光学望远镜的另一最大亮点是变星研究上发现的一系列新的天文现象。如:发现一个罕见的处于双星快速物质交流演化过程中的天体,发现一批处于双星慢速物质交流演化过程中的样本,发现一个处于六星系统中的半相接型密近双星,发现密近双星普遍存在于多星系统的可能性等。

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►月基光学望远镜巡天观测覆盖的天区(中心红点为月球的北极)

  “看地”:解译地球等离子体的奥秘

  地球等离子体层(Plasmasphere)是位于内磁层的一个环状的冷等离子体聚集区域,主要成分来自被地球磁场俘获的南北纬60度以下的地球电离层离子。它的外面被环电流和辐射带包围。嫦娥三号是国际上首次实施月面定点、大视场对地球等离子体层的极紫外观测。

  从2013年12月23日至2014年6月12日,安装于嫦娥三号着陆器上的极紫外相机累计观测约230小时,共获取1300多张地球等离子体层图像。

  利用这些数据,中国科学院国家天文台王华宁研究员带领的研究团队获得了一系列成果,首次发现地球等离子体层边界在磁层亚暴的影响下发生凸起。据悉,地球等离子体层是磁层与电离层的耦合区域,其结构对于地磁活动(磁暴或亚暴)非常敏感。2014年4月20-22日,嫦娥三号极紫外相机获得大尺度和子午面视角的地球等离子体层观测资料。期间由日冕物质抛射引发多次磁层亚暴。结合其它天基和地基观测数据,研究人员开展了地球等离子体层对磁层亚暴响应研究。结果显示,地球等离子体层边界发生凸起与磁层亚暴的影响密切相关。

  其次,研究人员还确认地球等离子体层的尺度与地磁活动强度反相关,进而认为等离子体层的空间结构受地球磁场和电场的约束和控制。利用嫦娥三号全部观测数据分析地球等离子体层边界的变化,可以明确地验证地球等离子体层的尺度与地磁活动强度但相关。极紫外相机成像数据显示,地球等离子体层的空间结构受到地球磁场和电场的约束和控制。磁层活动平静期,等离子体层可以扩展至地心距离6.5倍地球半径。随着磁层活动的增强,等离子体层在空间上收缩;在观测到的磁层活动最强期(2014年 2月21日),等离子体层顶至地心距离下降为3.5倍地球半径。这些探测结果与等离子体层经验模式及其它卫星就位探测结果基本一致。

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►地球磁层活动的基本结构

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►地球等离子体层结构示意图

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►嫦娥三号极紫外相机观测到的地球等离子体层

  “测月”:讲好月球的故事

  2015年10月15日,国际天文学会(IAU)正式批准将嫦娥三号着陆点周边区域,即雨海北部地区(340.49°E, 44.12°N)命名为“广寒宫”。玉兔号月球车踏足“广寒宫”是自阿波罗登月后时隔40多年人类航天器首次登临月面开展巡视勘察。

  “我们的任务就是讲故事,要把月球的故事讲好。”中国科学院地质与地球物理所研究员林杨挺说。

  利用“玉兔”月球车搭载的全景相机、测月雷达、可见-近红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪这四台科学载荷,嫦娥三号开展了着陆区月壤内部与月壳浅层结构探测,获得了第一手月表就位探测数据。利用这些数据,中国的行星科学家们希望能把“广寒宫”的形成与演化历史讲好。

  2015年3月13日,中国地质大学(武汉)肖龙教授及其团队成员和澳门科技大学、中国科学院电子学研究所、中国科学院国家天文台等单位的研究人员利用测月雷达、全景相机等科学仪器的探测数据,在国际上首次剖析了嫦娥三号着陆区浅层结构特性及其地质演化历史,揭示了巡视区地质特征,相关成果以《嫦娥三号揭示雨海北部年轻的多层地质结构体》为题发表在《Science》杂志上。

 

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►嫦娥三号着陆区地质图及主要地质事件

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►嫦娥三号测月雷达数据解译和地质剖面图

  4月13日捷报再次传来,林杨挺带领的“嫦娥三号”科学应用核心团队利用“玉兔”月球车上四台科学仪器的探测数据,在国际上首次揭示月球雨海区的火山演化历史,相关研究成果被《美国科学院院刊》作为封面文章刊发。

  林杨挺指出,月球在晚至25亿年左右仍存在大规模火山喷发,可能与该区域极富放射性元素有关,着陆区的月壤厚度也明显高于以往估算。这一研究结果对理解月球演化有重要意义。

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►《美国科学院院刊》以封面文章形式发表嫦娥三号研究成果

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►月球雨海盆地影像,红色十字为嫦娥三号着陆区位置。着陆区位于月球雨海盆地北部,该区域的玄武岩流(深黑色)年龄为20~30亿年,距北部低铁钛玄武岩(亮灰色)仅10公里左右。

  2015年12月23日,《自然-通讯》(Nature Communications)刊登了嫦娥三号科学成果的又一力作。由山东大学空间科学研究院行星科学团队与国内外七家单位合作,利用粒子激发X射线谱仪和红外成像光谱仪探测数据,发现嫦娥三号着陆区由“紫微”撞击坑溅射出的岩石是一种全新的月球玄武岩,该成果同样在在学术界引起广泛关注。

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►“玉兔号”月球车在“广寒宫”巡视路线和物质成分就位探测数据:(a)“玉兔号”月球车在月表巡视路线;(b)粒子激发X射线谱仪(APXS)在CE3-0006位置获取的光谱及指认;(c)红外成像光谱仪(VNIS)在四个位置获取的光谱数据及采集的图像。

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►嫦娥三号着陆区由“紫微”撞击坑溅射出的岩石是一种全新的月球玄武岩

  探索全新科研管理模式

  嫦娥三号任务的成功实施让中国在深空探测的舞台上又迈上新台阶,但更令科学家关心的是,如何才能利用嫦娥三号探测数据更好更快地做出科学应用成果?为此,有关部门在嫦娥三号的科学应用研究管理模式上开始尝试新的探索。

  2013年9月,在探月工程领导小组、探月工程总体的领导下,在嫦娥三号发射前夕,作为科学目标的论证及主要实现单位,中国科学院在第一时间组织了由中国地质大学、南京大学、山东大学(威海)、澳门科技大学、北京大学以及中科院相关研究所的上百名专家学者组成的嫦娥三号核心科学家团队,迅速对嫦娥三号探测数据展开深入研究。

  据悉,核心科学家团队由探月工程月球应用科学首席科学家负责、中科院月球与深空探测总体部具体组织落实,围绕“月球地形地貌与地质构造研究”、“月面化学特征及其演化规律研究”、“月球区域地球化学与构造动力学演化模型研究”、“地球等离子体层特征及其与太阳风相互作用研究”、“月基光学天文研究”等五个方向,组建了由科学家、载荷研制专家、科学探测数据处理专家组成的五支核心团队。这种“三位一体”的管理模式能更有效地推动嫦娥三号探测数据的科学应用工作的开展。

  2013年10月,中国科学院自筹经费550万元,设立“嫦娥三号任务探测数据科学应用研究”重点部署项目,专门用于支持核心团队开展研究工作。

  据不完全统计,经过两年多的时间,嫦娥三号核心科学家团队在月球地形地貌、浅表层地质结构、月基天文观测以及地球等离子体观测等方面取得一系列创新成果,共发表学术论文近百篇,其中SCI论文 63篇(含国际SCI论文32篇),国际会议论文60多篇。

  嫦娥三号的科学研究应用成果丰硕,得到了国际同行专家的认可和高度评价,也让中国的行星科学在国际上崭露头角,实现了“快出成果、多出成果、出好成果”的目标。

  嫦娥三号任务回顾

  2013年12月2日01时30分,嫦娥三号在西昌卫星发射中心由长征三号乙遥二十三运载火箭成功发射。

  2013年12月14日21时11分,嫦娥三号成功着陆在月面虹湾区域(西经19.51°、北纬44.12°)。

  2013年12月15日,嫦娥三号着陆器和月球车成功分离,月球车安全行驶至月面。随后,两类探测器相互拍照,并将图像数据传回地面。

  2013年12月16日,着陆区开始进入月球正午期,期间月球车上的科学仪器暂停工作;着陆器上的科学仪器择机进行探测。

  2013年12月17日,地形地貌相机对着陆区进行了四次环拍,月面图像清晰。

  2013年12月20日,着陆区不再处于月球正午期,月球车开始正常工作模式。

  2013年12月21日,着陆器对月球车拍照20幅;01时00分至01时06分,全景相机在C点对着陆器成像,共获得两组共6对清晰图像。

  02时45分,地形地貌相机成功对地球成像。

  06时27分,着陆器对月球车拍照10幅;06时43分至07时19分,全景相机在D点对着陆器成像,共获得18对清晰图像。

  2013年12月22日

  02时47分,着陆器对月球车成像10幅;06时40分至06时46分, 全景相机在E点对着陆器成像,共成像3对;06时49分至06时55分,全景相机在E点对着陆器第二次成像,共获得3对清晰图像。两器互拍工作圆满结束。

  2013年12月25日,着陆区进入月夜,着陆器在地面控制下进入休眠模式。

  2013年12月26日,月球车在地面控制下进入月夜休眠模式。两器互拍完成至月夜休眠前,两器工况正常;月球车按计划开展了月面测试工作,累计行走约59米;测控通信系统各中心、各测站软硬件系统工作正常。

  2014年1月11日

  第二个月球白天

  嫦娥三号月球车和着陆器安全度过长达14天的月球黑夜的低温环境,进入第二个月球白天,分别于2014年1月11日5时9分和1月12日8时21分受光照唤醒。着陆器完成月夜转月昼状态设置,进行约3-5天的测试和状态评估后转入长期管理阶段。此时,着陆器上的4台科学仪器中,除月基光学望远镜和极紫外相机开展长期科学观测外,降落相机和地形地貌相机因没有月夜低温生存装置,已完成使命;测控通信系统各中心和测站数据接收机处理正常。

  2014年1月16日,玉兔号月球车出现电机控制器通讯异常。在累计行驶里程共114.8米后,进行原地左转弯时出现移动电机控制器通讯响应异常,移动电机随即自动断电保护。经反复排查处置未能消除故障,月球车活动机构无法工作。2014年1月23日12时42分,月球车以故障状态进入月夜休眠模式,整器经历约零下150℃的极低温环境考验。

  此后,从第三月昼开始,月球车虽然被唤醒,但“电机控制器通信异常”故障依然存在,月球车无法行使,整器处于1月23日第二次月夜休眠前的故障状态。

  2014年1月24日3时19分,着陆器转入第二个月夜休眠模式。从第三月昼开始至第十三月昼,着陆器均工况正常、运行稳定。月基光学望远镜每天工作约18小时,开展仪器定标、定点和巡天观测;从第七月昼开始,极紫外相机出现“高压模块上电异常现象”,无法对地球等离子体层进行有效成像。

  截至2014年12月15日,嫦娥三号着陆器已在月面驻留365天,达到了1年设计使用寿命,在第十三月昼期内工作正常。而月球车偶有载波信号,但无法与地面保持联络。

  月基光学望远镜至今仍在开展科学探测工作。

责任编辑:崔筝 | 版面编辑:张柘
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