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嫦娥四号怀揣着哪些国际范儿“法宝”?

2019-01-15 09:11来源:科技日报

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  据国家航天局消息,嫦娥四号在月球背面软着陆后,截至1月10日,由多个国家和组织参与的科学探测任务陆续展开。着陆器上由德国研制的月表中子及辐射剂量探测仪和巡视器上由瑞典研制的中性原子探测仪开机测试。

  嫦娥四号任务有效载荷总体指挥徐欣锋此前向媒体介绍,嫦娥四号工程中,共有9个国家近20个有效载荷提出了合作,最终有3台载荷通过评审。让我们来看看这些国际范儿“法宝”将开展哪些工作。

  月球低频射电探测仪 开垦射电天文领域的“处女地”

  “月球背面的电磁环境非常干净,在那里开展低频射电探测是全世界天文学家梦寐以求的事情,将填补低频射电观测的空白。”国家空间科学中心副主任、月球与深空探测总体部主任邹永廖说。

  电磁波是天文学家观测天体辐射的核心手段之一。不过,低频电磁波信号会被地球电离层遮挡,无法抵达地面,这个波段成为了射电天文领域一直未被开垦的“处女地”。

  多年来,科学家试图在太空寻找解决途径,但他们遇到了新的问题。“地球附近的人造天体太多了。”中科院国家天文台研究员、嫦娥四号月球低频射电探测仪中方首席专家平劲松表示,这些卫星以及各类航天器,都在放射人造电磁波,会对观测形成干扰。即使把观测设备架设到月球上,如果面向地球,仍然避不开地球卫星低频无线电辐射的噪声。

  要突破地球电离层的屏蔽、躲开卫星的信号,还要遮挡来自太阳的辐射,经过种种约束的筛选,月球背面成为了满足条件、技术可及的最佳选择。嫦娥四号任务为此项研究提供了绝佳的起步机会。

  2015年10月,荷兰航天局局长访问中国国家航天局后,低频射电合作项目被两国纳入嫦娥四号工程。中科院国家天文台负责协调与荷方月球低频射电载荷工作事宜。

  合作项目中,双方研制了两台低频射电探测仪。平劲松介绍,两台载荷的概念设计由中方提出,中荷各研制一台,主要功能基本相当。中方载荷搭载于嫦娥四号着陆器,通过太阳能通电,当着陆区是白天时开展工作;荷方载荷搭载在2018年5月发射的鹊桥号中继卫星上,能持续获得光照,理论上可以一直工作。

  该项目让科学家们充满期待。平劲松说,低频太阳爆发过去从未观测到,但今后只要遇上,就能观测并且追踪它发生的整个过程,对其机理进行分析。这对研究日地空间的天气效应,构建模型预报太阳灾害事件等有很大帮助。同时,嫦娥四号低频射电探测仪通过对太阳爆发的观测,还能探测月球的电离层环境。

  中继星上的低频射电探测仪由于处在地月拉格朗日L2点,除了探测研究太阳低频射电特征和地月空间低频射电环境,还能连续监测地球千米波辐射爆发,并有望在行星际激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性成果。

  月表中子与辐射剂量探测仪 为登月航天员探风险

  自古以来,地球上的生命被两层保护伞——磁场和大气层保护着。

  保护伞外,是宇宙中的高能粒子辐射。“大部分宇宙高能粒子在磁层中会被偏转、束缚,即便粒子逃脱了磁层的束缚,还要面临大气层的抵挡,这些粒子打到大气层上,会被减速,并被分裂成更小的粒子。”中科院国家空间科学中心研究员张珅毅说。

  而月球上可没有这么安全的环境。张珅毅表示,深空中的太阳宇宙线会直接打到月球表面。如果将来航天员登陆月球,必然会遭受高能粒子带来的威胁。

  目前,国际上关于月球辐射情况的有效数据几乎是空白。而嫦娥四号着陆器上计划开展的中德合作项目,将对月表中子与辐射剂量进行测量。作为该项目的中方首席专家,张珅毅表示此项研究旨在为未来登月航天员的危险度进行前期评估,提供辐射防护的依据。

  2015年,张珅毅收到一封来自德国基尔大学的邮件。该校教授罗伯特·维默尔-施魏因格鲁伯表达了共同完成月表中子与辐射剂量探测仪研制的愿望。双方经过讨论,合作意向很快达成。

  “我对中国与欧洲之间的航天合作充满乐观,近年来它们开展了一系列合作项目。当我申请参与嫦娥四号国际载荷项目获得中方批准后,我向德国航天部门申请的项目资金很快便得到支持。”维默尔-施魏因格鲁伯对媒体说。

  根据协议,月表中子与辐射剂量探测仪的工程硬件由德方研制,中方负责接口协调、阶段性评审考核、交付后测试、标定试验等对接协调工作。研究获得的数据将由双方共享并共同对外发布。

  “这将是近几十年国际上第一次对月表辐射剂量进行测量,我们获得的第一手月表粒子辐射测量数据,对国家探月工程来说将是非常宝贵的资源。”张珅毅说。

  为了充分利用搭载机会,该载荷还将对太阳风暴开展研究。张珅毅说,在月球上可以直接探测到太阳高能粒子的能谱,及其随时间变化的特性;研究太阳风暴的起因、高能粒子传播规律等。

  此外,项目团队还将尝试对月球的水冰和铁矿进行探测。

  中性原子探测仪 寻找月球水源的线索

  嫦娥四号落月后不久,玉兔二号月球车就“挣脱”它的怀抱来到月面,留下一串长长的“脚印”。这只“兔子”的任务可不是到处跑到处看那么简单,除了像前辈“玉兔号”一样携带全景相机、红外成像光谱仪和测月雷达,它还背负了一台中国与瑞典合作研发的中性原子探测仪,将实施国际首次在月表开展的能量中性原子探测任务,首批数据有望在今年2月中旬左右发回。

  该项目中方首席专家、中科院国家空间中心研究员张爱兵介绍,项目主要为了研究太阳风与月表的微观相互作用,以及月表溅射在月球逃逸层形成和维持中的作用。

  瑞典空间物理研究所研究员、该项目载荷负责人马丁·威泽向媒体表示,太阳风如何影响月球表面是一个新的研究领域,此项探测数据对于理解这一基本物理过程非常重要。

  张爱兵说,太阳风为带电粒子,与高能粒子不同的是,太阳风粒子密度很大。由于月球没有大气和磁场,太阳风粒子会直接打到月球表面并被反射,部分会变成中性原子进行逃逸形成月球外逸层。同时,它也会将月表物质成分溅射出来形成中性原子。由于月球表面的地形地貌存在差异,随着巡视器的移动,获取的结果也会不一样。

  “我们对未来的探测结果十分好奇。”威泽说,“通过监测与研究,我们有可能发现关于月球上水来自何处的线索。”张爱兵表示,有科学家认为太阳风氢离子与月表中的氧产生羟基形成水,这也成为探测和研究的内容之一。

  目前我国还没有用于空间探测的中性原子探测仪,只有一台正在自行研制中,计划用于未来火星探测任务。中科院国家空间中心与瑞典空间物理所的合作起于双星计划,历史悠久、成果丰富。此次项目载荷也由该所研制,中方参与设备定标测试,以及交付后的相关工作。科学数据将由双方共享,协同开展研究。

  “嫦娥四号任务从立项时就体现出开放原则,在月球与深空探测领域的国际合作上大胆尝试,达到了良好效果,为我国后续国际合作奠定了基础。”徐欣锋表示。(记者 付毅飞)

[责编:武玥彤]

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