嫦娥四號早於去年12月8日就發射,以人類技術而言本來就可以三至四日內到達月球並入軌,但因為要等月背日出(登月日是1月3日,即農曆11月28日,對月背南極而言,剛好開始日出),才有最佳環境進行降落,故一直進繞月軌道飛行,至12月30日才開始調整下降軌道。
嫦娥四號登陸時間也正好在人類首次成功探測月球60周年紀念前夕;1959年1月4日,蘇聯探測器月球1號成功到達月球,成為首個接近月球的人類飛行器(儘管任務不算成功,月球1號因發動機延遲制動並未按原定訂劃撞向月表,而是進入環太陽軌道)。
嫦娥四號原本是嫦娥三號的備份探測器,若三號發生事故或發射失敗,就拿來補充。然而嫦娥三號任務基本成功(只是登月車車輪的軸承因跑進月塵,無法移動),備胎也用不著。後來國防科工局及中科院於2015年7月利用這「備胎」前往月背,進行不同月球地貌更廣範圍的補充考察。
和今年前往火星的洞察號一樣,嫦娥四號也是以早前同系列的著陸器及玉兔月球車為骨架,換裝部分新儀器而已。主要配備是量度月表背景輻射的儀器,例如中子輻射含量探測,利用背景輻射強度確定月背重金屬及放射性物質含量(目的在下一節有述)。
月背秘密‧月背怪異的原因:
稍有天文學知識的同好都知,現時對於月球形成最有說服力的理論,是「大撞擊說」,意指太陽系形成極早期,一枚原行星(天文學家以忒伊亞(Theia)命名這顆我們沒見過的原行星)以很慢的相對速度撞上地球,雖沒把地球撞毀,卻拋出大量融岩碎屑,並在離地球表面不遠處重新凝結成原初月球。部分天文學家更認為,由於當時月球距離太近,加上撞擊形成時物質比較均勻,初始角動量不足而自轉較慢,龐大旳地球只用了很短時間(可能在百多年內)就令月球自轉急劇減少至只有一邊永遠面向地球,這個天文學過程被稱為「重力鎖定」。
在最初一至二億年內,月球雖漸漸遠離地球,但仍保留在離地面2至30,000公里左右,即大約現在距離的1/10以下,且基本只有一面對著地球。根據近年其中一個較流行的理論,由於經常有大體積隕石下墜,加上地球物質中也有大量高放射性元素(例如當時豐度相對高得多的鈾235及其他放射性同位素),令地球表面長期處於高熱溶解狀態,連帶令非常接近地球的月面也受到地球高熱影響而處於半溶解狀態,地殼遠較薄弱。背著地球的一面由於只接受到距離遠得多的年輕太陽所照耀,地面冷卻遠較迅速,所形成的地殼也較月面厚實:NASA透過月震測量,發現月背地殼平均厚度至少比月面厚30公里。
此時正值地球的後期重轟炸期,大量隕石因受大行星位移而墜落至內行星表面,月球自然也吃了不少重擊。墜在月面上的隕石能穿透更薄的地殼,溶岩更容易湧出並填平隕石坑,冷卻後形成今天月面較平坦的地形,即所謂「月海」;月背由於有較厚的地殼,絕大部分隕石都撞不穿,結果溶岩流不出來,月背絕大部分地形都是隕石坑,「月海」面積十分小。
由於冷卻後缺乏溶岩及火山活動,這種地理構成也對月背地質、土壤成分及表面情況有深入影響,嫦娥四號今主任務的主要目標,就是要考究月背的地質作用如何影響表土的構成,以及表土礦物或水份含量和月面的差別,不但可進一步佐證現有的月球形成理論,還有助月球日後開發任務。
另一方面,由於重力鎖定,月球背面幾乎不會受地球電磁干擾,持續15日的黑夜更不會受太陽影響,更為「寧靜」,其實更適宜作為各種波段天文探測儀器的觀測場所。今次嫦娥四號攜帶的荷蘭制低射頻電探測儀,就是要用來探測月球的電磁波「寧靜度」究竟到達什麼水平,有助規劃日後月背天文探測任務。
月背怪論‧為何月球背面的著陸考察任務如此少?
過往太空任務由於被認為缺乏對月球背面的探測,故往往充斥大量陰謀論,例如月球背面已被外星人佔領、有外星人基地等等,各種說法層出不窮,最後甚至演變成各種荒唐的謬論甚至謠言(例如說霍金阻止美國政府探測月球背面,但事實上他只說過人類不要主動聯絡外星人)。
事實上,人類大部分無人探月探測器,都是圍繞月球軌道運行的,幾乎每個環綫周期都會飛到月球背面,阿波羅飛船的軌道器更繞飛多次,根本不存在刻意避開月球背面的問題:至於為何幾乎沒有月背著陸任務?正如上面提過的重力鎖定,只有月面向著地球。月背由於背對地球,無法直接向地球發射電波,信號傳輸、遙遠控制及遠距離電腦程式修正都造成極大的困難。解決這個問題唯有發射中繼通訊衛星,而且中繼衛星要放置至環繞地月格拉朗日點L2的軌道上,先接收月背發出的訊號,再轉送回地球。
月球背面也不太好觀測。面向地球的一面,除有直接向地球通訊的「不求人」優勢外,就算月球有半個月時間見不到陽光,至少還有「地光」可照,而且地球由於面積較大,反射度亦相當高,地球可為月球夜晚提供相當的照明;相對地,月背有半個月時間基本是夜晚,也沒有地球照明,日夜溫差比月面更大,依靠太陽能電池供電的儀器必須半個月處於休眠狀態,否則會有電池耗盡、「一睡不起」之慮 (除非是用核電池驅動)。
過去由於太空計劃經費吃緊,而且中繼衛星質量不小,為單一次任務要多射一枝火箭是十分昂貴的,而且飛掠任務已可探測部分他們需要的數據,故大部分國家都不傾向探測月背,以免成本暴升和降低成功率。
是次內地肯多消耗一支火箭預先發射鵲橋中繼導引衛星,一來嫦娥四號的研發成本就不高(因為本來就是三號的備胎),二來鵲橋號只有425公斤的質量,代表可由更小型的火箭(如發射成本只有3,000多萬美元的長征四號)發射升空;三來鵲橋號也能用作長程甚至深空中繼通訊的技術驗證(例如今次試驗了一個直徑達4.2公尺的接疊天線接收器),為日後更多樣化的太空任務鋪路。事實上,這才是嫦娥四號其中一個主要任務。
為何月背土壤顏色差異頗大?
一直有些陰謀論指,阿波羅登月時所拍攝圖片或影片均顯示,月球表土顏色是灰色的,但嫦娥3號所拍攝到的已經接近棕色,到嫦娥四號時,棕色更為明顯,並以此質疑嫦娥計劃是否做假。
這樣其實也可以解釋。首先,就算是同一部相機,隨時間、太陽位置、光度等的不同,拍攝出來時照片亦會有差異;其次我們所看到的其實是原始下載照片,由於照片的曝光、色相與飽和度也不盡相同,大家都需要經過後期處理才能有更接近原色的照片;事實上,阿波羅計劃中的原始照片,其實一樣顯示了棕色出來。特制相機及其菲林雖然在分辨率上尤勝絕大部分專業數碼相機,但在真空環境中調整白平衡非常困難,菲林片所設定的色溫和月面實際環境的色溫亦有差異,故最初拍攝的照片會有色差,太空人在拍攝部分照片時更要插上校色板,方便回到地球後沖曬人員可以根據調色板原色與所攝得顏色的差異,修補白平衡與色相,從而還原原色。
嫦娥四號由於並非專責拍攝近距離照片,近景拍攝所用的只是一般工商業用數碼相機鏡頭再做真空大溫差環境的保護,以節省金錢(事實上還有一部詳細拍攝降落區地貌的攝影機,那才是最貴重的)。若要以現有專業級數碼相機鏡頭,再施以更完善的真空及防輻射保護,那不但耗費較多,而且亦可能提升整體重量與體積。須知長征三乙型火箭往月球的搭載量大約四噸,這重量還要看射到月球什麼地方而定,而整個嫦娥四號的發射重量已達3,800公斤,冗餘已經很少,也不太適宜再多塞儀器,否則若入軌過程有所差遲,餘下的燃料可能不夠作軌道修正,降低任務成功率。
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