haibaraemily2019-01-04 12:04:32出品：科普中國
製作：haibaraemily、澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
2019年1月3日上午10：26，經過26天的飛行，嫦娥4號月球探測器順利著陸在月球背面東經177。6°，南緯45。5°的預選著陸區中，成為人類首顆成功軟著陸月球背面的探測器，並透過鵲橋中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。這是中國探月工程“繞、落、回”計劃的第二階段，也是繼5年前的嫦娥3號任務成功完成之後我國深空探測史上的新篇章。
當日下午15：07，北京航天飛行控制中心透過“鵲橋”中繼星“向嫦娥4號傳送兩器分離的指令。22：22，月球車順利踏上月球背面！月球車的名字也同步揭曉——玉兔二號將接替玉兔號月球車，努力成為”看星星最多的兔子“！
玉兔號vs玉兔二號。來源：探月工程
我們即將再次看到著陸器和月球車歷史性的兩器互拍！
2013年12月15日，嫦娥3號落月6個小時後，著陸器的地形地貌相機和月球車玉兔的全景相機互拍▼
這是1月3日嫦娥4號著陸器的降落相機拍的▼
這是1月3日嫦娥4號著陸器的監視相機C拍攝的著陸點南側月球背面影象▼
月球車就是朝這個方向駛向月球表面的。來源：CNSA/CLEP［1］
難以“觸及”的月之背面
本次嫦娥4號任務計劃著陸在月球背面，這是人類首次嘗試著陸和實地探測月球背面，也將是對我國軌道控制、著陸和通訊技術的巨大挑戰。
由於被地球的引力鎖定（也就是“潮汐鎖定”），月球始終只有相同的一面朝向地球，這導致地球上的我們永遠只能看到月球的正面。不過，需要注意的一點是，“月之背面”並不是“月之暗面”，事實上，月球的背面和正面都會輪流被陽光照射到。
人生代代無窮已，江月年年只相似。▼
任時空流轉，月亮的臉從來不曾改變。來源：［2］和維基
儘管自1959年蘇聯的月球3號傳回了第一張月球背面的影像以來，人類已經派出上百艘探測器在環繞月球飛行的過程中用各種遙感手段把月球背面的影像、光譜、成分、重力等各種資訊“看”了個清清楚楚。
第一張月球背面影像，左邊的暗色區域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海。來源：維基。
但著陸探測又是另一回事了。
確實，自1958年開始嘗試探索月球以來，人類和無人探測器已經成功著陸過月球數十次，總計有20臺著陸器，6臺月球車，12個宇航員安全上過月球表面這塊不算遙遠但依然神秘的土地，其中包括我國2013年12月成功著陸的嫦娥3號著陸器和玉兔號月球車。
但這些著陸任務全部位於月球正面。▼
人類目前為止所有成功的月球軟著陸任務，包括美國的勘測者號（Surveyor）系列，蘇聯的月球號（Luna）系列和美國的阿波羅號（Apollo）系列。而月球自1976年後再一次迎來來自地球的著陸器，就已經是近40年後的嫦娥3號了。來源：維基
到目前為止，月球背面還是人類著陸探測史上的空白▼
前路險阻，“鵲橋”先行
著陸背面相比於正面有很多困難，但最重要的一條是通訊障礙。由於被地球潮汐鎖定，月球背面的探測器無法和地球直接通訊。這也是之前美國和蘇聯數個月球著陸任務都安排在月球正面的一大原因。
為了配合嫦娥4號挑戰月球背面，我國已在半年前（5月21日）預先發射了一枚通訊中繼衛星“鵲橋”，作為接下來的著陸器/月球車與地球進行通訊的“橋樑”。
今年珠海航展中展出的1：3鵲橋模型
這枚通訊中繼衛星已於6月14日順利抵達預定的地月拉格朗日L2暈軌道（halo軌道），早就等著為嫦娥4號的兩位主角服務了。
但困難的另一面，也是機遇。由於沒有地球大氣層的干擾，月球背面著得天獨厚的天文觀測環境，本次嫦娥4號也會充分利用月球背面的觀測優勢。
嫦娥4號的奔月之路
2018年12月8日凌晨2：23，嫦娥4號月球探測器在西昌衛星發射中心，由長征3號乙改型（CZ-3B）運載火箭發射升空。
長征3號乙改型（CZ-3B）運載火箭搭載嫦娥4號發射升空。來源：新華網
12月12日16時45分，經過約110小時的地月轉移軌道後，嫦娥4號探測器成功實施近月制動，進入了近月點約100公里的環月軌道。這段路程比花費了112個小時的嫦娥2號、3號和鵲橋號快了2個小時，而且由於軌道準確，預定的三次軌道修正最終只執行了一次，第三次和第一次都取消了。
不過，由於嫦娥4號入軌的時候是背面著陸區的夜晚（月球上一個白天是14個地球日，一個夜晚也是14個地球日），所以等到了夜晚過去清晨來臨，才開始準備著陸。在這段等待期裡，嫦娥4號也沒閒著，而是展開了一系列準備工作：包括2次環月軌道修正，與“鵲橋”中繼星進行了4次中繼鏈路測試，開展了鐳射測距、三維成像、微波測距測速等導航敏感器在軌測試等等［3］。
12月30日8時55分，嫦娥4號探測器在距月面平均高度約100公里的環月軌道上成功變軌，降軌進入近月點高度約15公里、遠月點高度約100公里的環月軌道，順利進入預定的月球背面著陸準備軌道［3］。
嫦娥4號著陸在哪裡？
嫦娥4號的著陸點位於月球背面南極-艾特肯盆地（簡稱SPA）中的馮·卡門撞擊坑（中心位於東經176。2°，南緯44。4°）內。不用多說，這個撞擊坑是以航天工程學家、NASA噴氣動力實驗室（JPL）的創始人之一馮·卡門的名字命名的，他也是“中國航天之父”錢學森先生的博士導師。
馮·卡門撞擊坑的位置和周圍的幾個撞擊坑，黃色為本次嫦娥4號的著陸點，淺線圈區域為月海玄武岩填充區域，這些區域非常平坦。來源：LRO WAC/haibaraemily
南極-艾特肯盆地（簡稱SPA）是一個盤踞月球背面南半球的巨型隕石坑。
盤踞月球南半球的SPA盆地，紅圈是盆地的內外環大致邊界，外環標誌著SPA盆地的延伸範圍。根據LROC WAC影像和［4］繪製。
對南極-艾特肯盆地的認識變化，貫穿了人類短短几十年的月球探測史。
早在20世紀60年代初甚至更早，地基天文觀測者們就已經注意到月球背面南半球很可能有一個大型盆地［4］（我們通常把直徑300公里以上的撞擊坑叫做撞擊盆地），因為它的一小部分有時候會從正面觀測到一點痕跡。
但直到1968年蘇聯的Zond 6號探測器傳回了這一區域的照片，人們才最終確定了這一區域的存在［6， 7］。
再直到1994年的克萊門汀號探測器，人們才從地形資料中真正認識到了SPA盆地的輪廓，還告訴我們這裡略微有一點富鐵。
克萊門汀時代認為的SPA盆地範圍。越紅代表越高，越紫代表越低。來源：NASA
再然後，1998年月球勘探者號獲取的礦物成分分佈資料又告訴我們這裡不僅富鐵，而且富釷，而且SPA盆地其實並不是一個正圓，而是一個2400×2050公里的橢圓。也就是說，當年那個小天體是以一個貼近地面的小角度傾斜撞擊過來的。
SPA盆地的內外環邊界，以SPA盆地的中心為影象中心。來源：［2］
不過，之所以叫南極-艾特肯盆地，並不是表示這個盆地位於南極的意思，事實上，SPA盆地的內環中心大約在53。2°S，168。9°W，距離南極還是很有一段距離的。
南極-艾特肯盆地是以盆地邊緣兩頭的兩個地方——月球南極+艾特肯撞擊坑的名字聯合命名的。
這種命名方式似乎是20世紀70年代末期行星地質學家們命名盆地的一種“時尚”，事實上，那段時間出產的地質圖裡，除了南極-艾特肯盆地之外，還誕生了孟德爾-裡德伯盆地（翻譯一下就是“一個被孟德爾撞擊坑+裡德伯撞擊坑圈定範圍的盆地”）、庫侖-薩爾頓盆地、穆圖什-佛拉哥盆地、弗羅因德利希-沙羅諾夫盆地等多個類似盆地的命名。
所以說，“南極-艾特肯盆地”這個詞是不能拆開單用的，“南極的艾特肯盆地”之類的表達也是不對滴。
南極艾特肯盆地對我們認識月球有不可替代的重要和特殊意義。這也是本次嫦娥4號選擇這個區域的原因。
首先是
大
。
SPA盆地是太陽系中目前已知的最大的撞擊盆地。它可以幫助我們瞭解太陽系中的超大型撞擊事件的過程是怎樣的，會帶來什麼。
其次是
深
。
SPA盆地深達13公里，是月球上最深的撞擊盆地。這意味著當年的撞擊事件很可能挖出了月殼深處甚至月幔的物質，這些挖掘出的物質，會是我們研究月球內部成分的鑰匙。
然後是
古老
。
據估計，SPA盆地形成於月球的前酒海紀（39。2億年前），是月球上最古老的大型撞擊盆地之一。想要建立月球45億年的漫長曆史，SPA盆地是一個至關重要的環節。
嫦娥4號將要探測什麼？
嫦娥4號此行主要有
三大目標
：
1、探測月球背面巡視區的地形地貌、礦物成分；
2、探測背面巡視區的淺表層結構；
3、利用月球背面得天獨厚的射電天文環境展開低頻射電天文觀測。
要如何完成這些目標，當然是得看嫦娥4號帶了些什麼了。作為嫦娥3號的備份機，嫦娥4號不管是外形還是攜帶的科學儀器都很大程度上繼承了嫦娥3號，帶的儀器也有很大的相似性。
素材來源：CNSA
嫦娥4號和嫦娥3號一樣攜帶了8個科學儀器，但根據實際探測目標和探測環境的變化對攜帶的科學儀器做出了新的調整［8］。
可以看出：
嫦娥4號在嫦娥3號的基礎上保留下來的儀器們主要用於拍攝著陸過程和著陸區附近的地形地貌（降落相機、地形地貌相機、全景相機）、探測礦物成分（紅外成像光譜儀）和淺表層結構（測月雷達）；
而替換的新儀器們（低頻射電頻譜儀、月表中子及輻射劑量探測器、中性原子探測器）則側重於利用月球背面得天獨厚的天文環境進行探索性觀測。
尤其是低頻射電頻譜儀，它一方面將充分利用月球背面無干擾的低頻射電天文環境，填補0。1~40 MHz範圍內的射電觀測空白；另一方面還會與鵲橋中繼衛星上攜帶的我國與荷蘭合作研發的低頻射電探測儀（NCLE）協同觀測，互為驗證和補充。
這既是此次任務的新嘗試，也是中國與其他國家合作探測、共享資料的重要里程碑。
3根5米長的低頻射電頻譜儀天線是嫦娥4號著陸器與嫦娥3號外形上最顯著的區別▼
而嫦娥4號月球車因為不再攜帶粒子激發X射線譜儀，所以也就不需要機器臂了▼
此外，本次嫦娥4號任務還將首次嘗試建立月面微型生態系統，它將攜帶馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅，驗證動植物在月面太陽自然光照和低重力條件下的生長狀況。
總之，這些觀測將有助於人類加深對月球地質、月球的生存和探索環境、月球背面獨特的射電天文環境的認識。
嫦娥4號的著陸器和月球車的設計壽命分別為6個月和3個月，所以在接下來的半年裡，我們可以期待嫦娥4號帶來更多驚喜~
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參考
［1］ http：//www。xinhuanet。com/photo/2019-01/03/c_1123942403。htm
［2］ http：//www。maps-of-the-world。net/space-maps/maps-of-the-moon/
［3］ 國家航天局 | 嫦娥四號探測器成功實施環月降軌控制
http：//www。cnsa。gov。cn/n6758823/n6758838/c6804993/content。html
［4］ Garrick-Bethell， I。， & Zuber， M。 T。 （2009）。 Elliptical structure of the lunar South Pole-Aitken basin。 Icarus， 204（2）， 399-408。
［5］ Hartmann， W。 K。， & Kuiper， G。 P。 （1962）。 Concentric structures surrounding lunar basins。 Communications of the Lunar and Planetary Laboratory， 1， 51-66。
［6］ Rodionov， B。 N。， Isavnina， I。 V。， Avdeev， Y。F。， Blagov， V。 D。， Dorofeev， A。 S。， Dunaev， B。 S。， 。。。 & Mikhailovskii， A。B。 （1971）。 New data on the Moon‘s figure and relief based on results from the reduction of Zond-6 photographs。 Cosmic Research， 9， 410
［7］ D。E。 Stuart-Alexander， U。S。 Geol。 Surv。 Map l-1047 （1978）。
［8］ 吳偉仁， 王瓊， 唐玉華， 於國斌， 劉繼忠， & 張瑋等。 （2017）。 “嫦娥4號”月球背面軟著陸任務設計。 深空探測學報， 4（2）， 111-117。