Home / 評論分析 / 博評 / 【博評】William:嫦娥四號及月背怪論淺談

【博評】William:嫦娥四號及月背怪論淺談

嫦娥四號傳回的第一張月背照片(網絡圖片)

由國家國防科工局及中國科學院研發的嫦娥四號探月飛船,於剛過去的1月3日上午10時半降落月球背面南極的艾特肯盆地馮·卡門隕石坑,成為人類歷史上首個登陸月球背面的航天探測器。

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,故一直在繞月軌道上運行,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(儘管任務不算完滿成功,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)。

由蘇聯月球三號探測器(1959)傳回的首張月背照片。由於所用的是類似舊式電視的信號製作與傳送技術,所以清晰度非常差。(網絡圖片)

 

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)。

重力鎖定表現在衛星繞軸自轉的週期和繞著行星公轉的週期有著大約相同的時間。排除天秤動的影響,月球會像左圖一樣,始終用同一面朝向地球(月球北極視角)。如果月球沒有自轉,在它環繞地球公轉時,如右圖所示,則它的正面和背面會交替地朝向地球。(英文版維基百科)

月背秘密‧月背怪異的原因:

月球的怪異,在於月面與月背幾乎是兩種地貌,月面有一半是由較平坦的月海地形組成,而月背則幾乎全是隕石坑,月海地貌很少。為何會有這種特殊分佈?

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,卻拋出大量溶岩碎屑,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」。

大撞擊說示意圖,發生於44至45億年前。(網絡圖片)

 

 

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。

另一個近年提出月海形成的假說:大撞擊發生後其實在同軌道上形成兩個月球,而且物質可能有些不一樣(視乎忒伊亞殘留物質比重有多少)。較小的月球在一段時間後又撞上大月球上,且物質集中在月面方向。這理論的機制比較複雜,科學家仍抱存疑態度,除非嫦娥四號的土壤化驗結果能證明這件事。(網絡圖片)

 

 

 

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遠影響,嫦娥四號任務的主要目標,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 / 放射性物質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。

玉兔2號月球車照片。玉兔2號月球車未開始拍攝任務,下面照片是嫦娥3號。(網絡圖片)

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,最後更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,人類大部分月球探測器,都是圍繞月球軌道運行的,幾乎每個環繞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,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。要解決這個問題就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。

環格拉朗日點L2軌道入軌技術,已經在2010年時由嫦娥二號試驗。(網絡圖片)

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)。

回到人類的宇宙探索史,70年代以後,美蘇兩國都將太空競賽的視線帶回近地軌道,而其他的「後起之秀」也未有科技前往更遠的月球,所以對月球的探索興趣基本上要到冷戰結束後才重新展開。不過,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(甚至不打算降落月球),以免成本暴升和降低成功率。

鵲橋號的4.2米天傘形通訊天線是現時太空中最大型的傘形摺疊天線,再大的就只有美軍最新式間諜衛星現時使用的大型單片薄膜形天線。(網絡圖片)

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。

長征3號系列雖然可靠,但技術已嫌老舊,而且採用偏二甲肼(其中一種聯氨,作為燃料)‧四氧化二氮(作為氧氣助燃劑)常溫方案,雖然穩定性高但有毒,故最終會被其進一步發展型——以煤油‧液氧作為燃料‧助燃劑、基本型低軌道運力14.7噸 / 月軌道運力7噸的長征7號所取代。若果以長征7型發射,那可以一次過發射鵲橋及嫦娥四號,不用另外加一支火箭了。(網絡圖片)

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。特製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校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。

阿波羅計劃的未調色照片。右圖的板子就是校色板。(網絡圖片)

 

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),所以白平衡及調節色差的能力也較次。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。

 

手機分享本文:

Scan the QR Code
William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

Check Also

【博評】蘇蘭斯﹕人口老化顛覆世界結構 「自我增值」最可靠

最近筆者在麻省理工聽了約瑟·F ...

發表迴響

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *

這個網站採用 Akismet 服務減少垃圾留言。進一步瞭解 Akismet 如何處理網站訪客的留言資料