張巧玲

1 中國科學院國家天文臺 北京 100012

2 中國科學院月球與深空探測總體部 北京 100012

“嫦娥三號”任務及其初步科學成果*

張巧玲1,2

1 中國科學院國家天文臺 北京 100012

2 中國科學院月球與深空探測總體部 北京 100012

“嫦娥三號”月球探測器自 2013 年 12 月成功著陸月球之后，已在月球停留超過3年時間，創(chuàng)下在月球表面工作時間最長的世界紀錄。與此同時，“嫦娥三號”探測器搭載的8臺科學載荷獲得了大量的科學探測數(shù)據。為推進“嫦娥三號”任務科學探測數(shù)據的應用和研究，力爭出好成果、快出成果，中科院在“嫦娥三號”任務執(zhí)行前集中全國優(yōu)勢力量組建了由科學家、科學載荷研制單位技術人員和負責科學探測數(shù)據處理的地面應用系統(tǒng)技術人員組成的5個科學應用核心團隊，并設立“‘嫦娥三號’任務探測數(shù)據科學應用研究”重點部署項目。經過兩年多的時間，“嫦娥三號”任務核心科學家團隊在月球地形地貌、淺表層地質結構、月基天文觀測以及地球等離子體觀測等方面取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。

“嫦娥三號”任務，核心科學家團隊，科學成果

1 “嫦娥三號”任務的科學目標及有效載荷配置

“嫦娥三號”探測器是中國第一個月球軟著陸的無人登月探測器，由著陸器和月面巡視器（又稱“玉兔號”月球車）組成?！版隙鹑枴背晒χ懺虑虿⑦M行了就位和巡視探測，實現(xiàn)了我國探月工程“繞、落、回”發(fā)展戰(zhàn)略的第二步戰(zhàn)略目標，在我國航天事業(yè)發(fā)展史上具有重要里程碑意義。

2002 年，中科院牽頭組織論證并提出了探月工程二期的科學目標，2008 年工程立項啟動后，又組織開展了“‘嫦娥三號’任務有效載荷與科學目標專題”研究，最終確定了“嫦娥三號”任務的三大科學目標，即：月表形貌與地質構造調查、月表物質成分和可利用資源調查、地球等離子層探測和月基光學天文觀測。這 3 個科學目標也被概括為“測月、觀天、看地”。

為了完成以上科學目標，“嫦娥三號”探測器共搭載了 8 臺有效載荷，其中，著陸器上搭載了地形地貌相機、降落相機、極紫外相機、月基光學望遠鏡，巡視器上搭載了全景相機、測月雷達、粒子激發(fā)X射線譜儀和紅外成像光譜儀。這 8 臺載荷中，月基光學望遠鏡、極紫外相機和測月雷達都是國際上首次應用于月球科學探測的科學儀器。

巡視器在著陸區(qū)自北、向東、向南、向西、向北開展了月面巡視探測，第二月晝期間，巡視器出現(xiàn)故障，只累積行駛約 114.8 m（圖 1）。粒子激發(fā) X 射線譜儀只探測了 2 個點，紅外成像光譜儀只探測了 4 個點；極紫外相機于 2014 年 6 月第七月晝期間出現(xiàn)故障，2014 年 7 月份以后沒有獲得觀測數(shù)據，近 6 個月期間正常工作約 230 小時，共獲取了 1 300 多幅科學探測圖像數(shù)據，而且由于熱控等原因，該載荷并未像預期那樣實現(xiàn)全天候即每個月晝 14 天的觀測，只能在月球的早上和傍晚期間開機觀測。目前，唯一仍在正常且超期工作的是安裝于著陸器上的月基光學望遠鏡。

圖1 “嫦娥三號”巡視器實際行駛路線

據統(tǒng)計，2013 年 12 月2日—2016 年 6 月30日，“嫦娥三號”探測器共計開展了 32 個月球白晝的科學探測工作。截至 2016 年 6 月 30 日，地面應用系統(tǒng)歸檔“嫦娥三號”各類數(shù)據共計 7.07 TB。其中，原始數(shù)據 1.97 TB。

2 探索管理新模式，做好先導示范

“嫦娥三號”任務的成功實施讓中國在深空探測的舞臺上又邁上新臺階。作為實施我國探月工程主要力量之一，中科院在“嫦娥三號”任務中牽頭負責論證和制定了科學目標，規(guī)劃了科學探測任務，并承擔了地面應用系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)和 VLBI（甚長基線干涉測量）測軌分系統(tǒng)的研制建設和運行。與此同時，中科院在“嫦娥三號”的科學應用研究管理模式上也展開了全新的探索。

2013 年 9 月，在探月工程領導小組、探月工程總體部的領導下，在“嫦娥三號”探測器發(fā)射前夕，作為科學目標的論證及主要實現(xiàn)單位，中科院在第一時間組織了由中國地質大學、南京大學、山東大學（威海）、澳門科技大學、北京大學以及中科院相關研究所的近百名專家學者組成的“嫦娥三號”任務核心科學家團隊，以迅速對“嫦娥三號”獲取的科學探測數(shù)據展開深入研究。

核心科學家團隊由探月工程月球應用科學首席科學家負責、中科院月球與深空探測總體部具體組織落實，圍繞“月球地形地貌與地質構造研究”“月面化學特征及其演化規(guī)律研究”“月球區(qū)域地球化學與構造動力學演化模型研究”“地球等離子體層特征及其與太陽風相互作用研究”“月基光學天文研究”5 個方向，組建了由科學家、載荷技術專家、科學探測數(shù)據處理專家組成的5支核心團隊。這種“三位一體”的管理模式能更有效地推動“嫦娥三號”探測數(shù)據的科學應用工作的開展。

2013 年10月，中科院自籌經費設立“‘嫦娥三號’任務探測數(shù)據科學應用研究”重點部署項目，專門用于支持核心團隊開展研究工作。

據不完全統(tǒng)計，經過兩年多的時間，“嫦娥三號”核心科學家團隊在月球地形地貌、淺表層地質結構、月基天文觀測以及地球等離子體觀測等方面取得一系列創(chuàng)新成果，共發(fā)表學術論文近百篇，其中 SCI 論文 62 篇（含國際 SCI 論文 31 篇），國際會議論文 60 多篇。

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3 “嫦娥三號”主要科學成果

3.1 月面探測取得系列成果

2015 年10月15日，國際天文學會（IAU）正式批準將“嫦娥三號”著陸點周邊區(qū)域，即雨海北部地區(qū)（340.49° E，44.12° N）命名為“廣寒宮”?！坝裢锰枴痹虑蜍囂ぷ恪皬V寒宮”是自阿波羅登月后時隔 40 多年人類航天器首次登臨月面開展巡視勘察。

利用“玉兔”月球車搭載的全景相機、測月雷達、可見—近紅外成像光譜儀、粒子激發(fā) X 射線譜儀這 4 臺科學載荷，開展了著陸區(qū)形貌、成分和月殼淺層結構探測，獲得了第一手月表就位探測數(shù)據。科學家利用這些數(shù)據獲取了一系列科學應用研究成果。

3.1.1 獲得了月壤分層結構和淺層月巖的分層結構剖面圖

2015 年 3月13日，中國地質大學（武漢）肖龍教授及其團隊和澳門科技大學、中科院電子學所、中科院國家天文臺等單位的研究人員利用測月雷達、全景相機等科學儀器的探測數(shù)據，在國際上首次剖析了“嫦娥三號”著陸區(qū)淺層結構特性及其地質演化歷史，揭示了巡視區(qū)地質特征（圖2、圖 3），相關成果以“‘嫦娥三號’揭示雨海北部年輕的多層地質結構體”為題發(fā)表在 Science雜志上。

3.1.2 揭示了著陸區(qū)淺表層結構特征及地質演化歷史，對月球晚期巖石活動和地質演化過程提出了新的認識

2015 年 4 月13日，中科院地質與地球物理所林楊挺研究員帶領的“嫦娥三號”科學應用核心團隊利用“玉兔”月球車上4臺科學儀器的探測數(shù)據，在國際上首次揭示月球雨海區(qū)的火山演化歷史，相關研究成果被《美國科學院院刊》作為封面文章刊發(fā)（圖 4）。

圖2 “嫦娥三號”著陸區(qū)地質圖及主要地質事件

圖3 “嫦娥三號”測月雷達數(shù)據解譯和地質剖面圖

圖4 《美國科學院院刊》以封面文章形式發(fā)表“嫦娥三號”研究成果

成果顯示，月球在晚至 25 億年左右仍存在大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)，可能與該區(qū)域極富放射性元素有關，著陸區(qū)的月壤厚度也明顯高于以往估算。這一研究結果對理解月球演化有重要意義（圖 5）。

著陸區(qū)位于月球雨海盆地北部，該區(qū)域的玄武巖流（深黑色）年齡為 20 億—30 億年，距北部低鐵鈦玄武巖（亮灰色）僅 10 公里左右。

3.1.3 發(fā)現(xiàn)一種新的巖石類型

山東大學空間科學研究院行星科學團隊與國內外 7家單位合作，利用粒子激發(fā) X 射線譜儀和紅外成像光譜儀探測數(shù)據（圖 6），發(fā)現(xiàn)“嫦娥三號”著陸區(qū)由“紫微”撞擊坑濺射出的巖石是一種全新的月球玄武巖（圖7），成果在 2015 年 12 月23日的《自然—通訊》（Nature Communications）上刊出后，引起了學術界廣泛的關注。

3.2 在國際上首次實現(xiàn)月基近紫外巡天觀測

“嫦娥三號”在國際上首次實現(xiàn)了月基近紫外巡天觀測，填補了國際上 GALEX 衛(wèi)星巡天在低銀緯天區(qū)的部分空白（圖 8）。月基光學望遠鏡也是“嫦娥三號”上目前唯一仍在正常工作的科學儀器，截至 2016 年 6 月，該儀器進行了約 4 940 小時的巡天觀測，獲得 23.3 萬張圖像數(shù)據，取得 2 項主要成果。

（1）2015 年，由中科院國家天文臺魏建彥研究員帶領的月基光學望遠鏡研究團隊在《行星與空間科學》發(fā)表最新研究成果，提出月球外逸層中的羥基（水）密度的上限（柱密度 ＜1011cm2，體密度不高于 104cm3）。探測精度比哈勃望遠鏡的結果提高 2 個量級、比印度“月船一號”的結果提高5個量級，是迄今為止這一領域的最好結果。

（2）月基光學望遠鏡的另一最大亮點是變星研究上發(fā)現(xiàn)的一系列新的天文現(xiàn)象。如：發(fā)現(xiàn)一個罕見的處于雙星快速物質交流演化過程中的天體，發(fā)現(xiàn)一批處于雙星慢速物質交流演化過程中的樣本，發(fā)現(xiàn)一個處于六星系統(tǒng)中的半相接型密近雙星，發(fā)現(xiàn)密近雙星普遍存在于多星系統(tǒng)的可能性等。

圖5 月球雨海盆地影像，紅色十字為“嫦娥三號”著陸區(qū)位置

圖6 “玉兔號”月球車在“廣寒宮”巡視路線和物質成分就位探測數(shù)據

圖7 “嫦娥三號”著陸區(qū)由“紫微”撞擊坑濺射出的巖石是一種全新的月球玄武巖

3.3 解譯地球等離子體的奧秘

地球等離子體層（Plasmasphere）是位于內磁層（圖9）的一個環(huán)狀的冷等離子體聚集區(qū)域，主要成分來自被地球磁場俘獲的南北緯 60 度以下的地球電離層離子。它的外面被環(huán)電流和輻射帶包圍（圖10）?！版隙鹑枴笔菄H上首次實施月面定點、大視場對地球等離子體層的極紫外觀測。從 2013 年 12 月 23 日至 2014 年 6 月12日，安裝于“嫦娥三號”著陸器上的極紫外相機累計觀測約 230 小時，共獲取 1 300 多張地球等離子體層圖像（圖 11）。

利用這些數(shù)據，中科院國家天文臺王華寧研究員帶領的研究團隊獲得了一系列成果，首次發(fā)現(xiàn)地球等離子體層邊界在磁層亞暴的影響下發(fā)生凸起。據悉，地球等離子體層是磁層與電離層的耦合區(qū)域，其結構對于地磁活動（磁暴或亞暴）非常敏感。2014 年 4 月20—22 日，“嫦娥三號”極紫外相機獲得大尺度和子午面視角的地球等離子體層觀測資料。期間由日冕物質拋射引發(fā)多次磁層亞暴。結合其他天基和地基觀測數(shù)據，研究人員開展了地球等離子體層對磁層亞暴響應研究。結果顯示，地球等離子體層邊界發(fā)生凸起與磁層亞暴的影響密切相關。2016 年 8 月31日《自然 . 科學報告》（Scientific Reports）在線發(fā)表了這一成果。

其次，研究人員還確認地球等離子體層的尺度與地磁活動強度反相關，進而認為等離子體層的空間結構受地球磁場和電場的約束和控制。利用“嫦娥三號”全部觀測數(shù)據分析地球等離子體層邊界的變化，可以明確地驗證地球等離子體層的尺度與地磁活動強度呈反相關。極紫外相機成像數(shù)據顯示，地球等離子體層的空間結構受到地球磁場和電場的約束和控制。磁層活動平靜期，等離子體層可以擴展至地心距離 6.5 倍地球半徑。隨著磁層活動的增強，等離子體層在空間上收縮；在觀測到的磁層活動最強期（2014 年 2 月21日），等離子體層頂至地心距離下降為 3.5 倍地球半徑。這些探測結果與等離子體層經驗模式及其他衛(wèi)星就位探測結果基本一致。

圖8 月基光學望遠鏡巡天觀測覆蓋的天區(qū)（中心紅點為月球的北極）

圖9 地球磁層活動的基本結構

圖10 地球等離子體層結構示意圖

圖11 “嫦娥三號”極紫外相機觀測到的地球等離子體層

在中科院積極有效的組織管理以及大力支持下，“嫦娥三號”任務科學探測數(shù)據的應用和研究工作實現(xiàn)了“快出成果、多出成果、出好成果”的目標。“嫦娥三號”任務取得的豐碩科學成果得到了國際同行專家的認可和高度評價，并將我國月球科學研究又推上了一個新臺階。不僅如此，“嫦娥三號”著陸器搭載的月基光學望遠鏡仍在開展巡天觀測，其他科學應用研究工作也并沒有結束，許多深入研究工作仍在繼續(xù)開展。相信，隨著“嫦娥三號”研究工作的繼續(xù)深入開展，后續(xù)還會有更多的亮點成果不斷涌現(xiàn)。更重要的是，“嫦娥三號”探索的科學應用與研究的管理模式必將為我國今后的月球與深空探測工程的科學應用研究工作提供很好的借鑒。

張巧玲 中科院國家天文臺高級工程師，目前就職于中科院月球與深空探測總體部，主要負責新聞宣傳及科普方面的工作。E-mail:qlzhang@bao.ac.cn

Zhang Qiaoling Senior Engineer of National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, works on publicity and popularization of science in General Office of the Lunar and Deep-Space Exploration, Chinese Academy of Sciences.

E-mail: qlzhang@bao.ac.cn

Preliminary Scientific Achievements of Chang’e-3 Mission

Zhang Qiaoling1,2
（1 National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; 2 General Office of the Lunar and Deep-Space Exploration, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China）

Chang’e-3 spacecraft landed on the Moon on 14 December 2013, and set a world record for the longest working hours on the surface of the moon. The eight scientific payloads of the Chang’e-3 have achieved a large amount of scientific exploration data. In order to promote the application and research of these exploration data, and strive for sound and quick results, Chinese Academy of Sciences conducted the key deployment project of application research on the scientific data from CE-3 before launch. Five core teams of scientists consisted of scientists, scientific instruments, and Ground Research and Application System technical personnel. The five core teams have achieved a series of innovative research results in lunar topography, regolith structure, lunar based astronomical observation, and earth plasma observation in 2 years.

Chang’e-3 mission, the core team of scientists, scientific achievements

*修改稿收到日期：2016年11月7日

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.01.011