張巧玲

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012

2 中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部 北京 100012

“嫦娥三號(hào)”任務(wù)及其初步科學(xué)成果*

張巧玲1,2

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012

2 中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部 北京 100012

“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器自 2013 年 12 月成功著陸月球之后，已在月球停留超過(guò)3年時(shí)間，創(chuàng)下在月球表面工作時(shí)間最長(zhǎng)的世界紀(jì)錄。與此同時(shí)，“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器搭載的8臺(tái)科學(xué)載荷獲得了大量的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。為推進(jìn)“嫦娥三號(hào)”任務(wù)科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和研究，力爭(zhēng)出好成果、快出成果，中科院在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)執(zhí)行前集中全國(guó)優(yōu)勢(shì)力量組建了由科學(xué)家、科學(xué)載荷研制單位技術(shù)人員和負(fù)責(zé)科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)處理的地面應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)人員組成的5個(gè)科學(xué)應(yīng)用核心團(tuán)隊(duì)，并設(shè)立“‘嫦娥三號(hào)’任務(wù)探測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用研究”重點(diǎn)部署項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)兩年多的時(shí)間，“嫦娥三號(hào)”任務(wù)核心科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在月球地形地貌、淺表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、月基天文觀測(cè)以及地球等離子體觀測(cè)等方面取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。

“嫦娥三號(hào)”任務(wù)，核心科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，科學(xué)成果

1 “嫦娥三號(hào)”任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)及有效載荷配置

“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器是中國(guó)第一個(gè)月球軟著陸的無(wú)人登月探測(cè)器，由著陸器和月面巡視器（又稱“玉兔號(hào)”月球車）組成?！版隙鹑?hào)”成功著陸月球并進(jìn)行了就位和巡視探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)探月工程“繞、落、回”發(fā)展戰(zhàn)略的第二步戰(zhàn)略目標(biāo)，在我國(guó)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(xué)目標(biāo)，2008 年工程立項(xiàng)啟動(dòng)后，又組織開(kāi)展了“‘嫦娥三號(hào)’任務(wù)有效載荷與科學(xué)目標(biāo)專題”研究，最終確定了“嫦娥三號(hào)”任務(wù)的三大科學(xué)目標(biāo)，即：月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查、月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查、地球等離子層探測(cè)和月基光學(xué)天文觀測(cè)。這 3 個(gè)科學(xué)目標(biāo)也被概括為“測(cè)月、觀天、看地”。

為了完成以上科學(xué)目標(biāo)，“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器共搭載了 8 臺(tái)有效載荷，其中，著陸器上搭載了地形地貌相機(jī)、降落相機(jī)、極紫外相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，巡視器上搭載了全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀和紅外成像光譜儀。這 8 臺(tái)載荷中，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)和測(cè)月雷達(dá)都是國(guó)際上首次應(yīng)用于月球科學(xué)探測(cè)的科學(xué)儀器。

巡視器在著陸區(qū)自北、向東、向南、向西、向北開(kāi)展了月面巡視探測(cè)，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(cè)了 2 個(gè)點(diǎn)，紅外成像光譜儀只探測(cè)了 4 個(gè)點(diǎn)；極紫外相機(jī)于 2014 年 6 月第七月晝期間出現(xiàn)故障，2014 年 7 月份以后沒(méi)有獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)，近 6 個(gè)月期間正常工作約 230 小時(shí)，共獲取了 1 300 多幅科學(xué)探測(cè)圖像數(shù)據(jù)，而且由于熱控等原因，該載荷并未像預(yù)期那樣實(shí)現(xiàn)全天候即每個(gè)月晝 14 天的觀測(cè)，只能在月球的早上和傍晚期間開(kāi)機(jī)觀測(cè)。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(xué)望遠(yuǎn)鏡。

圖1 “嫦娥三號(hào)”巡視器實(shí)際行駛路線

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013 年 12 月2日—2016 年 6 月30日，“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器共計(jì)開(kāi)展了 32 個(gè)月球白晝的科學(xué)探測(cè)工作。截至 2016 年 6 月 30 日，地面應(yīng)用系統(tǒng)歸檔“嫦娥三號(hào)”各類數(shù)據(jù)共計(jì) 7.07 TB。其中，原始數(shù)據(jù) 1.97 TB。

2 探索管理新模式，做好先導(dǎo)示范

“嫦娥三號(hào)”任務(wù)的成功實(shí)施讓中國(guó)在深空探測(cè)的舞臺(tái)上又邁上新臺(tái)階。作為實(shí)施我國(guó)探月工程主要力量之一，中科院在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)中牽頭負(fù)責(zé)論證和制定了科學(xué)目標(biāo)，規(guī)劃了科學(xué)探測(cè)任務(wù)，并承擔(dān)了地面應(yīng)用系統(tǒng)、有效載荷分系統(tǒng)和 VLBI（甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量）測(cè)軌分系統(tǒng)的研制建設(shè)和運(yùn)行。與此同時(shí)，中科院在“嫦娥三號(hào)”的科學(xué)應(yīng)用研究管理模式上也展開(kāi)了全新的探索。

2013 年 9 月，在探月工程領(lǐng)導(dǎo)小組、探月工程總體部的領(lǐng)導(dǎo)下，在“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器發(fā)射前夕，作為科學(xué)目標(biāo)的論證及主要實(shí)現(xiàn)單位，中科院在第一時(shí)間組織了由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)（威海）、澳門科技大學(xué)、北京大學(xué)以及中科院相關(guān)研究所的近百名專家學(xué)者組成的“嫦娥三號(hào)”任務(wù)核心科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，以迅速對(duì)“嫦娥三號(hào)”獲取的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)深入研究。

核心科學(xué)家團(tuán)隊(duì)由探月工程月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家負(fù)責(zé)、中科院月球與深空探測(cè)總體部具體組織落實(shí)，圍繞“月球地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造研究”“月面化學(xué)特征及其演化規(guī)律研究”“月球區(qū)域地球化學(xué)與構(gòu)造動(dòng)力學(xué)演化模型研究”“地球等離子體層特征及其與太陽(yáng)風(fēng)相互作用研究”“月基光學(xué)天文研究”5 個(gè)方向，組建了由科學(xué)家、載荷技術(shù)專家、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)處理專家組成的5支核心團(tuán)隊(duì)。這種“三位一體”的管理模式能更有效地推動(dòng)“嫦娥三號(hào)”探測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用工作的開(kāi)展。

2013 年10月，中科院自籌經(jīng)費(fèi)設(shè)立“‘嫦娥三號(hào)’任務(wù)探測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用研究”重點(diǎn)部署項(xiàng)目，專門用于支持核心團(tuán)隊(duì)開(kāi)展研究工作。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)兩年多的時(shí)間，“嫦娥三號(hào)”核心科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在月球地形地貌、淺表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、月基天文觀測(cè)以及地球等離子體觀測(cè)等方面取得一系列創(chuàng)新成果，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文近百篇，其中 SCI 論文 62 篇（含國(guó)際 SCI 論文 31 篇），國(guó)際會(huì)議論文 60 多篇。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新的媒體形式層出不窮，加上人們對(duì)電視臺(tái)的要求越來(lái)越高，給電視臺(tái)帶來(lái)巨大的沖擊和挑戰(zhàn)。電視臺(tái)要想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存和發(fā)展，就必須提高電視臺(tái)的節(jié)目和服務(wù)質(zhì)量，而電視臺(tái)編輯記者的專業(yè)素質(zhì)直接影響著電視臺(tái)節(jié)目質(zhì)量。

3 “嫦娥三號(hào)”主要科學(xué)成果

3.1 月面探測(cè)取得系列成果

2015 年10月15日，國(guó)際天文學(xué)會(huì)（IAU）正式批準(zhǔn)將“嫦娥三號(hào)”著陸點(diǎn)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?hào)”月球車踏足“廣寒宮”是自阿波羅登月后時(shí)隔 40 多年人類航天器首次登臨月面開(kāi)展巡視勘察。

利用“玉兔”月球車搭載的全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、可見(jiàn)—近紅外成像光譜儀、粒子激發(fā) X 射線譜儀這 4 臺(tái)科學(xué)載荷，開(kāi)展了著陸區(qū)形貌、成分和月殼淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)，獲得了第一手月表就位探測(cè)數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家利用這些數(shù)據(jù)獲取了一系列科學(xué)應(yīng)用研究成果。

3.1.1 獲得了月壤分層結(jié)構(gòu)和淺層月巖的分層結(jié)構(gòu)剖面圖

2015 年 3月13日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）肖龍教授及其團(tuán)隊(duì)和澳門科技大學(xué)、中科院電子學(xué)所、中科院國(guó)家天文臺(tái)等單位的研究人員利用測(cè)月雷達(dá)、全景相機(jī)等科學(xué)儀器的探測(cè)數(shù)據(jù)，在國(guó)際上首次剖析了“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)淺層結(jié)構(gòu)特性及其地質(zhì)演化歷史，揭示了巡視區(qū)地質(zhì)特征（圖2、圖 3），相關(guān)成果以“‘嫦娥三號(hào)’揭示雨海北部年輕的多層地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征及地質(zhì)演化歷史，對(duì)月球晚期巖石活動(dòng)和地質(zhì)演化過(guò)程提出了新的認(rèn)識(shí)

2015 年 4 月13日，中科院地質(zhì)與地球物理所林楊挺研究員帶領(lǐng)的“嫦娥三號(hào)”科學(xué)應(yīng)用核心團(tuán)隊(duì)利用“玉兔”月球車上4臺(tái)科學(xué)儀器的探測(cè)數(shù)據(jù)，在國(guó)際上首次揭示月球雨海區(qū)的火山演化歷史，相關(guān)研究成果被《美國(guó)科學(xué)院院刊》作為封面文章刊發(fā)（圖 4）。

圖2 “嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)地質(zhì)圖及主要地質(zhì)事件

圖3 “嫦娥三號(hào)”測(cè)月雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯和地質(zhì)剖面圖

圖4 《美國(guó)科學(xué)院院刊》以封面文章形式發(fā)表“嫦娥三號(hào)”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(guān)，著陸區(qū)的月壤厚度也明顯高于以往估算。這一研究結(jié)果對(duì)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(xué)空間科學(xué)研究院行星科學(xué)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)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(cè)數(shù)據(jù)（圖 6），發(fā)現(xiàn)“嫦娥三號(hào)”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(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。

3.2 在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)月基近紫外巡天觀測(cè)

“嫦娥三號(hào)”在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了月基近紫外巡天觀測(cè)，填補(bǔ)了國(guó)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(xué)望遠(yuǎn)鏡也是“嫦娥三號(hào)”上目前唯一仍在正常工作的科學(xué)儀器，截至 2016 年 6 月，該儀器進(jìn)行了約 4 940 小時(shí)的巡天觀測(cè)，獲得 23.3 萬(wàn)張圖像數(shù)據(jù)，取得 2 項(xiàng)主要成果。

（1）2015 年，由中科院國(guó)家天文臺(tái)魏建彥研究員帶領(lǐng)的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研究團(tuán)隊(duì)在《行星與空間科學(xué)》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(cè)精度比哈勃望遠(yuǎn)鏡的結(jié)果提高 2 個(gè)量級(jí)、比印度“月船一號(hào)”的結(jié)果提高5個(gè)量級(jí)，是迄今為止這一領(lǐng)域的最好結(jié)果。

（2）月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的另一最大亮點(diǎn)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(gè)罕見(jiàn)的處于雙星快速物質(zhì)交流演化過(guò)程中的天體，發(fā)現(xiàn)一批處于雙星慢速物質(zhì)交流演化過(guò)程中的樣本，發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(hào)”著陸區(qū)位置

圖6 “玉兔號(hào)”月球車在“廣寒宮”巡視路線和物質(zhì)成分就位探測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 “嫦娥三號(hào)”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(nèi)磁層（圖9）的一個(gè)環(huán)狀的冷等離子體聚集區(qū)域，主要成分來(lái)自被地球磁場(chǎng)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）。“嫦娥三號(hào)”是國(guó)際上首次實(shí)施月面定點(diǎn)、大視場(chǎng)對(duì)地球等離子體層的極紫外觀測(cè)。從 2013 年 12 月 23 日至 2014 年 6 月12日，安裝于“嫦娥三號(hào)”著陸器上的極紫外相機(jī)累計(jì)觀測(cè)約 230 小時(shí)，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(jù)，中科院國(guó)家天文臺(tái)王華寧研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)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(jù)悉，地球等離子體層是磁層與電離層的耦合區(qū)域，其結(jié)構(gòu)對(duì)于地磁活動(dòng)（磁暴或亞暴）非常敏感。2014 年 4 月20—22 日，“嫦娥三號(hào)”極紫外相機(jī)獲得大尺度和子午面視角的地球等離子體層觀測(cè)資料。期間由日冕物質(zhì)拋射引發(fā)多次磁層亞暴。結(jié)合其他天基和地基觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員開(kāi)展了地球等離子體層對(duì)磁層亞暴響應(yīng)研究。結(jié)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(guān)。2016 年 8 月31日《自然 . 科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）在線發(fā)表了這一成果。

其次，研究人員還確認(rèn)地球等離子體層的尺度與地磁活動(dòng)強(qiáng)度反相關(guān)，進(jìn)而認(rèn)為等離子體層的空間結(jié)構(gòu)受地球磁場(chǎng)和電場(chǎng)的約束和控制。利用“嫦娥三號(hào)”全部觀測(cè)數(shù)據(jù)分析地球等離子體層邊界的變化，可以明確地驗(yàn)證地球等離子體層的尺度與地磁活動(dòng)強(qiáng)度呈反相關(guān)。極紫外相機(jī)成像數(shù)據(jù)顯示，地球等離子體層的空間結(jié)構(gòu)受到地球磁場(chǎng)和電場(chǎng)的約束和控制。磁層活動(dòng)平靜期，等離子體層可以擴(kuò)展至地心距離 6.5 倍地球半徑。隨著磁層活動(dòng)的增強(qiáng)，等離子體層在空間上收縮；在觀測(cè)到的磁層活動(dòng)最強(qiáng)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(cè)結(jié)果與等離子體層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊捌渌l(wèi)星就位探測(cè)結(jié)果基本一致。

圖8 月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡巡天觀測(cè)覆蓋的天區(qū)（中心紅點(diǎn)為月球的北極）

圖9 地球磁層活動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)

圖10 地球等離子體層結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 “嫦娥三號(hào)”極紫外相機(jī)觀測(cè)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(hào)”任務(wù)科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和研究工作實(shí)現(xiàn)了“快出成果、多出成果、出好成果”的目標(biāo)?！版隙鹑?hào)”任務(wù)取得的豐碩科學(xué)成果得到了國(guó)際同行專家的認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)，并將我國(guó)月球科學(xué)研究又推上了一個(gè)新臺(tái)階。不僅如此，“嫦娥三號(hào)”著陸器搭載的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡仍在開(kāi)展巡天觀測(cè)，其他科學(xué)應(yīng)用研究工作也并沒(méi)有結(jié)束，許多深入研究工作仍在繼續(xù)開(kāi)展。相信，隨著“嫦娥三號(hào)”研究工作的繼續(xù)深入開(kāi)展，后續(xù)還會(huì)有更多的亮點(diǎn)成果不斷涌現(xiàn)。更重要的是，“嫦娥三號(hào)”探索的科學(xué)應(yīng)用與研究的管理模式必將為我國(guó)今后的月球與深空探測(cè)工程的科學(xué)應(yīng)用研究工作提供很好的借鑒。

張巧玲 中科院國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師，目前就職于中科院月球與深空探測(cè)總體部，主要負(fù)責(zé)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