日本“月亮女神”探月計劃最新研究成果

□ 中科院探月工程總體部

在我國“嫦娥二號”月球探測器即將發射之際，對“月亮女神”探月的科學目標、有效載荷，特別是后續研究取得的主要科學成果進行綜合評述和分析，對我國的探月工程將有所啟示。

近年來，日本在深空探測領域取得長足進步，先后開展“哈雷彗星”號彗星探測、“飛天”號月球探測、“希望”號火星探測、“隼鳥”號小行星探測、“拂曉”號金星探測，其真正意義上的首個月球探測器——“月亮女神”號從2007年9月14日成功發射、2009年6月11日受控落月、到目前進行后續深入研究，取得了不少新的研究成果。日本探月計劃與中國起點相近，在我國“嫦娥二號”月球探測器即將發射之際，對“月亮女神”探月的科學目標、有效載荷，特別是后續研究取得的主要科學成果進行綜合評述和分析，對我國的探月工程將有所啟示。

“月亮女神”月球探測器設計的主要科學目標有三個：一是探索月球和地球的起源，研究月球的形成和演化過程；二是觀測月球的空間環境；三是利用月球觀測外太空。為實現這些科學目標，“月亮女神”共搭載15種有效載荷，主要包括：X射線譜儀、伽馬射線譜儀、多光譜成像儀、連續光譜測量儀、地形測繪相機、激光高度計、測月雷達、月球磁強計、帶電粒子譜儀、等離子體分析儀、上層大氣和等離子體成像儀等，還有中繼子衛星、VLBI射電源子衛星以及高清電視攝像機。

受外部因素制約和空間環境影響，“月亮女神”的X射線譜儀、伽馬射線譜儀、測月雷達、帶電粒子譜儀等有效載荷也先后出現各種故障，但整體科學探測基本按預定計劃進行，獲得了大量新的、有價值的科學探測數據。到目前，利用“月亮女神”獲得的科學數據已陸續發表很多論文，提出了不少新的發現或新的觀點，在美國《科學》、英國《自然》等著名科技期刊上也作了專題報道。日本對月球探測科學數據的應用與研究組織得很好，其中有許多做法和經驗值得我國探月工程學習、思考和借鑒。

“月亮女神”獲得的全月球重力異常分布圖上圖為自由空氣重力異常；下圖為布格重力異常；紅色表示重力正異常，藍色表示重力負異常，說明月球正面和背面的重力場存在明顯差異。

一、全月球的重力場分布

由于采用了中繼子衛星，利用“月亮女神”探測器軌道跟蹤數據獲得的月球背面重力場精度得到提高。根據新的重力場模型圖，可以發現月球背面存在環狀重力場負異常，而月球正面則是環狀重力場正異常。其中數個盆地中央具有較大的重力異常高點，可能是由超均衡的地幔上涌導致的。其它盆地的重力場異常高點與月海填充（玄武巖噴發）有關。月球盆地形貌和背面的地幔上涌，說明月球存在剛性巖石圈。月球背面和正面的多種重力補償類型說明月球正面巖石圈的再次加熱和削弱現象比早期估算的更為廣泛。

二、月球的地形地貌

利用地形測繪相機獲得的數據，日本科學家在月球上的馬里烏斯山周圍發現了一個天然洞穴結構——馬里烏斯洞。研究表明，馬里烏斯洞位于一條月谷的中間，是錯綜復雜的月谷體系的一部分，可能是由熔巖洞頂坍塌形成的。美國月球勘測軌道器相機也發現了一些數百米深的天然洞穴，并提供了洞穴入口及周圍環境的更清晰影像。

在月球平原上有數百條被稱作月谷的細長溝渠縱橫交錯。這些月谷是證明幾十億年前有熔巖流從地下流過的有力證據。由于月谷中的洞穴很有可能是熔巖管道塌陷形成的天窗結構（地球上也存在類似的熔巖管道），因此，月球上天然洞穴結構的發現具有重要的科學意義。月球上的洞穴有可能成為建設月球基地的理想場所，洞內可以很好地屏蔽輻射，躲避流星體撞擊和其他危險物，并且洞內溫度基本保持在零下30～40攝氏度，相對比較溫暖，適合宇航員的長期居住。

在月球形成后的一段時期內，火山活動頻繁，月面撞擊坑會很快被火山噴出的巖漿所掩埋，隨著月球內部能量的衰減，火山活動逐漸停息。因此，在火山活動越早停息的區域，撞擊坑分布密度越高，火山活動越晚停息的區域，撞擊坑密度越低。

科學家利用地形測繪相機獲得的數據，詳細統計了月球表面一些地區的撞擊坑分布密度，并估算出月球背面各區域在火山活動完全停止后穩定形成的年代。結果表明，月球背面最大的月海——莫斯科海的西北部形成于距今約35億年前，而其東部形成于距今約25億年前。據此，科學家認為，莫斯科海東部至少在距今約25億年前一直有火山活動，比之前推測的月球巖漿活動停息的時間要晚得多。

同時，“月亮女神”上的地形測繪相機還獲得了阿波羅15號著陸點附近的精細地形圖和月球南北極影像，推測第谷撞擊坑的中央峰次表層下很可能埋藏著一層斜長巖，并估算了月球極區的太陽光照率分布。

三、月球數字高程模型

利用“月亮女神”探測器上的激光高度計數據，科學家獲得了空間分辨率優于0.5?的全月球地形圖，比之前美國發布的“統一月球控制網”的空間分辨率提高了數百千米。

四、月球多光譜觀測

科學界普遍相信，月球上早期曾發生全球性的巖漿熔融，由于不同礦物的密度差異，密度大的礦物下沉并富集到月幔和月核，密度小的礦物上浮并形成月殼。這就是月球演化中重要的巖漿洋假說。據此，一般認為月球上高地斜長巖月殼主要由90%的斜長石和10%左右的橄欖石、輝石等其它礦物組成。

地形測繪相機拍攝的月球南極影像和從月球地平線上升起的地球圖中的沙克爾頓撞擊坑（Shackleton）的Malapert山頂是科學界討論最多的未來月球基地可能的選址區，根據地形測繪相機的空間分辨率，沒有發現該地區存在較純的水冰。

“月亮女神”和美“統一月球控制網”得到的月球地形圖對比“月亮女神”探測器激光高度計獲得的月球地形圖（左圖）表現的地形細節明顯優于美國發布的“統一月球控制網”（右圖）。

利用“月亮女神”探測器上多光譜成像儀獲得的科學數據，通過對69個撞擊坑的中央峰、巖墻和其它部分多光譜影像的仔細檢測，科學家首次發現月球高地月殼幾乎100%都是斜長石，基本不含其它礦物。這一發現使原先提出的月殼形成假說產生了疑問，即月球巖漿分異時，為什么只有斜長石能選擇性上浮并形成月殼。

橄欖巖是地球地幔中的一種主要成分，因此科學家推測，橄欖巖必然也是月球“地幔”中的一個重要組成部分，但一直沒有發現有力的證據。利用“月亮女神”上的連續光譜測量儀獲得的科學數據，科學家在月球上的245個區域發現了橄欖巖的反射光譜信號，而且發現橄欖巖主要存在于撞擊坑的邊緣。

這使科學界相信，月球外殼形成后，內部曾發生劇烈活動，導致大量富含橄欖石的類地幔物質從月球內部深處上涌至月殼以下。由于包括薛定諤撞擊坑在內的245個區域的月殼較薄，遭遇小天體撞擊后，其內部類地幔物質比較容易暴露，并被推向撞擊坑的邊緣。

五、月球次表層結構

對月球次表層結構和地質學的研究有助于增進人們對于月殼的形成與演化、月球起源與演化的理解。2007年11月20～21日，“月亮女神”上的測月雷達利用5MHz的數字技術高頻雷達發射信號和返回信號之間的差異，可以獲得深至數千米的月球次表層結構。

科學家利用測月雷達獲得的科學數據，發現月球上澄海下存在由碎屑堆積物形成的類似三明治的層狀構造。觀測數據還顯示，這些層狀構造彎曲成弧形，推測是由于玄武巖的熔巖冷卻凝固以后，月球變冷收縮形成了這樣的起伏。

同時，測月雷達還獲得了月海中的月嶺、泊松撞擊坑和基爾希撞擊坑等典型地區的次表層結構。

六、月球的空間環境

從2009年2月1日開始，“月亮女神”探測器在50千米軌道高度實施為期2個月的磁場、等離子環境的三維觀測，獲取了大量數據，在世界上尚屬首次。

2009年4月以后，“月亮女神”探測器在30千米軌道高度實施對月觀測，主要開展月球背面的微弱磁場（包括南極愛特肯盆地）的補充觀測計劃。

由月海玄武巖和月壤組成的月球次表層結構層狀構造的底層可能是距今35.5億年前噴涌出的玄武巖熔巖層，其上面是在小天體撞擊、太陽風、宇宙射線等作用下形成的碎屑層，最上層是距今34.4～28.4億年前玄武巖熔巖層。右下圖中的箭頭表示雷達波的反射方向。

月球表面反射和散射的太陽風離子紅色圓圈表示太陽風離子，白色圓圈表示月球表面反射和散射的太陽風離子。IEA為離子能量分析儀，IMA為離子質量分析儀。

七、探月成果的科普宣傳

在這次探測活動中，還開展了一系列科普和公眾宣傳活動，以擴大社會影響。“月亮女神”專門搭載了一臺用于科普和公眾宣傳的高清電視攝像機，拍攝了月球南極附近地球從月球地平線上的“升起”和“落下”，太陽和地球形成的“鉆戒”等電視畫面，并把這些視頻資料放到世界上最大的視頻網站“You Tube”上，通過不斷更新，吸引了全世界公眾特別是青少年的持續關注。

發射環繞月球飛行的無人探測器只是日本探月計劃的第一步。根據日本的空間探測長遠規劃，在未來空間探測計劃中，月球將是其最重要的探測目標：前10年重點突破探月關鍵技術，后10年重點開展月球應用，通過20年左右的努力，使日本成為國際月球探測的領導者，最終爭取到2025年左右在月球表面建立無人探測基地。

總之，“月亮女神”探月計劃與我國繞月探測工程有很多相似之處，總體科學目標也較為一致。但“月亮女神”搭載的有效載荷多達15種，載荷總重約為“嫦娥一號”的2.2倍，而且有效載荷的設計更復雜，部分載荷的技術指標更高，具體科學探測任務也明顯比“嫦娥一號”任務多。一方面說明，我國在有效載荷的輕量化、小型化、設計集成化、功能多樣化等許多方面還存在明顯差距；另一方面也說明我國衛星平臺與有效載荷之間重量資源分配上的優化設計還有待于進一步提高。

由于有效載荷的創新性設計和研制質量是決定我國月球和行星探測科學成果產出的關鍵因素之一，也是制約我國今后深空探測長遠發展的技術瓶頸之一，建議國家相關部門在深空探測工程立項之初甚至立項前的預研階段，支持一些具有深空探測應用前景的有效載荷開展關鍵技術攻關，奠定技術基礎，這樣才能在工程立項實施后的較短時間內高質量地完成研制工作。

在月球探測科學數據的深化研究方面，日本建立了較為成熟的科研經費資助體系和責任科學家體系。在工程立項論證之初，就把科學目標的提出、有效載荷的研制和科學成果的產出這三種責任捆綁在一起，落實到相應的責任科學家。在探測器獲得科學數據后，責任科學家馬上組織相關的科學家隊伍開展科學數據的應用與深化研究，保證科學成果的快速產出和及時發布。盡管”嫦娥一號”的部分有效載荷的技術性能和數據質量并不比“月亮女神”差，但在科學數據的深化研究和科學成果的快速產出方面落后于日本，這也是我國今后需要下功夫改進的。建議國家盡快建立和完善深空探測科學數據的及時發布和公開發布制度、負責提出科學目標和組織科學數據應用研究的責任科學家制度、支持科學家團組開展深空探測科學數據應用與研究的經費保障制度，從而實現在科學研究上的多出成果、快出成果、出好成果的目標。

多光譜成像儀（左圖）和連續光譜測量儀（右圖）對同一撞擊坑觀測的圖像