嫦娥四号上的空间环境探测仪器

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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。

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左图为嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的玉兔二号巡视器走上月面影像图。右图为图为嫦娥四号巡视器车轮。1月3日晚间,嫦娥四号着陆器与巡视器成功分离,玉兔二号巡视器(即月球车)顺利驶抵月背表面。着陆器上监视相机拍摄了玉兔二号在月背留下第一道痕迹的影像图,并由“鹊桥”中继星传回地面。(新华社发
国家航天局 供图)(拖拽/保存图片可查看大图)

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。

来源:中科院之声

(科技日报1月10日报道)1月3日,嫦娥四号探测器在月球背面成功着陆。着陆器拍回了照片,玉兔二号月球车也下地撒欢,留下了一串脚印。安好家以后,它们就要开始工作,开展各项科学探测了。其中,着陆器上低频射电探测仪的三根5米天线已展开到位。“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。

月球低频射电探测仪开垦射电天文领域的“处女地”

2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内,实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。嫦娥四号携带了大量先进的探测仪器,这些仪器中除了大家比较熟悉的各种相机,还包括几台能用于空间环境探测的仪器。今天,我们就来给大家说一说这些特别的仪器和它们要观测的物理现象。

■寻找“干净”的观测环境 月球背面成绝佳地点

“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。

月表中子与辐射剂量探测仪

“电磁波谱的任何一个波段背后,都有天体的物理现象和机理。”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告诉科技日报记者,“只要能感知到,就可以寻找它们的规律。”

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”。

人类对太空的探索活动始终面临高能辐射的威胁,1958年,美国的第一颗人造卫星—explorer
i卫星研究组的ernie ray就发出了这样的感叹:“my god, space is
radioactive!”。经过几十年的探测研究,人们对地球附近的高能辐射环境已经有了相当的了解,但月球表面的辐射环境与地球附近的辐射环境有很大的不同,月球表面没有稠密的大气,磁场也十分微弱,因此太空中的宇宙射线会直接轰击月表的岩石和月壤,宇宙线粒子与月表物质发生核反应会释放出中子、γ射线等具有强穿透力的粒子,尤其是中子,其辐射品质因子高于质子、电子和光子,对航天员具有很大的危害性。

1930年代,美国贝尔实验室工程师卡尔·央斯基在短波高频波段偶然收到来自地球之外的天体辐射,开启了射电天文的大门。自此,电磁波成为了天文学家观测天体辐射的核心手段之一。

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。

图1 月表辐射环境示意图

之所以迄今为止人类仍然使用短波和中波进行通信,归功于地球空间存在的比较浓密的电离层,能反射这些波段的人造电磁波,使得电磁波无法逃出地球范围。但与此同时,来自地球以外低于10兆赫兹的电磁辐射,也无法透过地球电离层到达地面。可以说,这个波段的天文观测窗口被地球电离层“屏蔽”了。因而地面射电天文观测都是在更高的频段开展。

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。

嫦娥四号上携带的月表中子与辐射剂量探测仪,由中国和德国联合研制,安装在着陆器上,不仅能探测着陆区的中子和辐射剂量,还能探测太阳爆发产生的质子、电子和α粒子。该探测仪有助于科学家们对月表辐射环境进行评估,为未来载人登月及月球基地的辐射防护提供依据,同时,该仪器能够直接探测到来自太阳的能量粒子,用于研究太阳风暴的起因、高能粒子传播规律等。

既然在地球上无法开展低频射电探测,天文学家决定在太空寻找解决途径。上世纪90年代,来自中国、荷兰等国的射电天文学家开始进行相关论证。然而,他们遇到了新的问题。“地球附近的人造天体太多了。”平劲松表示,这些卫星以及各类航天器,都在发射人造电磁波,大量存在的人工信号会对观测形成干扰。“离地球越远越好。”他说,但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。从阿波罗时代开始,科学家就设想把低频射电设备放到月球背面去探测,美国、日本等国都提出过建议,欧空局甚至制定过详细的计划,但最终均未实现。原因很简单,各国都没有在月球背面着陆的探测器,怎么把设备放上去?

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。

图2月表中子与辐射剂量探测仪

因此,甚低频频段一直是射电天文领域从未被开垦过的处女地。直到嫦娥四号任务实施,为此项研究提供了绝佳的起步机会。

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。

低频射电频谱仪

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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。

所谓射电其实就是常见的无线电波,我们在家里就能够用短波收音机收听到非常遥远的地方、甚至地球另一端发出的无线电信号,是因为在地球大气上层存在电离层,电离层中的大气处于部分电离和完全电离状态,会反射或吸收频率较低的无线电,短波信号可以在电离层与大地之间来回反射,从而传播很远的距离。

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。

图3 电离层与无线电传播示意图

月表中子与辐射剂量探测仪为登月航天员探风险

电离层虽然能够给地球带来通信的便利,却也阻断了电离层外的低频无线电向地面的传播。来自太阳及其它宇宙天体发出的低频电磁波信号被地球电离层遮挡,无法抵达地球地面,要探测它们只能在太空环境中进行,而月球背面由于阻挡了来自地球的各种天然及人工电磁辐射干扰,这里的电磁环境非常干净,是非常理想的低频射电观测位置。

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。

嫦娥四号任务中的低频射电探测仪有两台,一台由中国独立研制,安装在嫦娥四号着陆器上,另一台由中国和荷兰联合研制,安装在中继星“鹊桥”号上。两台设备互相配合,可以对太阳、地月空间及宇宙天体的各种射电现象进行观测和研究,尤其是太阳爆发时,利用低频射电观测,可以观测并且追踪太阳爆发活动的整个过程,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。

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。

图4 嫦娥四号着陆器上的低频射电频谱仪

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。

图5 中继星“鹊桥”上的低频射电探测仪

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。

月表中性原子探测仪

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。

太阳持续不断的向四面八方“吹”出超声速带电粒子流,被称为太阳风。由于月球没有磁场、大气层的保护,太阳风能够直接“吹”到月球表面上,太阳风中的质子和离子作用到月壤表面会反射和溅射出能量中性原子和其他粒子。同时,光照会导致月表充正电荷,等离子体会导致月表充负电,在月面阴阳交界处静电力会抛起月尘,所有这些抛出、溅射和反射出的物质组成了月球的逃逸层。科学家需要搞清楚月球逃逸层形成过程中各种机制的作用大小,这对于研究太阳系中许多与月球类似的星体具有重要意义。

“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。

图6 月球逃逸层示意图

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。

嫦娥四号携带的月表中性原子探测仪,由中国和瑞典联合研制,安装在月球车“玉兔”二号上,用来测量太阳风和月表相互作用之后产生的中性原子。过去人类对月球中性原子的探测都是在环月轨道或地面上开展的,嫦娥四号将在月表巡视区直接测量中性原子,可以说是人类探月史上首次在月表开展中性原子探测。

“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。

图7 月表中性原子探测仪

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。

预报中心为嫦娥四号任务保驾护航

此外,项目团队还将尝试对月球的水冰和铁矿进行探测。

对空间环境进行探测研究是嫦娥四号任务重要的科学目标之一。但嫦娥四号携带的这些先进的探测仪器及嫦娥四号本身都面临恶劣空间环境的威胁,而针对太阳爆发等活动的探测也需要空间环境预报的支持,中科院空间环境预报中心将持续为嫦娥四号任务提供及时准确的空间环境预报信息,为嫦娥四号任务保驾护航。

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。

(原载于《科技日报》 2019-01-15 08版)

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