為何到月背“挖土”帶回的月壤夠用嗎？

張璐

6月4日7時38分，嫦娥六號上升器攜帶月球樣品自月球背面起飛，隨后成功進(jìn)入預(yù)定環(huán)月軌道。嫦娥六號完成世界首次月球背面采樣和起飛。嫦娥六號配置了哪些科學(xué)載荷？探測數(shù)據(jù)如何回傳？對此，中國科學(xué)院參與了嫦娥六號相關(guān)任務(wù)的專家進(jìn)行了解答。

問題1：

嫦娥六號的任務(wù)科學(xué)目標(biāo)是什么？

嫦娥六號任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院國家天文臺研究員左維說，嫦娥六號的任務(wù)科學(xué)目標(biāo)包括月球背面著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析。開展月球背面南極—艾特肯盆地（SPA）著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

同時，還包括月球背面樣品的分析與研究。對月球背面樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長期的實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成等，深化月球成因和演化歷史的研究。

問題2：

為何要到月球背面“挖土”？

左維說，已有的月球樣品采集任務(wù)都集中在月球正面，嫦娥六號即將返回的樣品是人類歷史上首次獲取的月球背面月球樣品，將再一次填補(bǔ)月球樣品的空白，對豐富人類月球起源和演化認(rèn)知、更好地了解地球具有重要的科學(xué)價值。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員賀懷宇說，目前在月球采集到的所有樣品對月表的覆蓋是不超過8%，如果想更深入研究月球演化，樣品覆蓋比例越高越好。另外，月球背面樣品巖石的類型，將影響到科研人員對于月球演化模型的推測，有可能得到重大突破。

問題3：

嫦娥六號配置了哪些科學(xué)載荷？有什么作用？

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究院薛長斌說，嫦娥六號最重要的科學(xué)目標(biāo)是采集著陸點(diǎn)的月壤樣品，所配置的科學(xué)載荷繼承了嫦娥五號的狀態(tài)，包括降落相機(jī)、全景相機(jī)、全景相機(jī)轉(zhuǎn)臺、月球礦物光譜儀、月壤結(jié)構(gòu)探測儀和國旗展示系統(tǒng)，可以提供月球背面新的采樣區(qū)月表形貌、地質(zhì)構(gòu)造、淺層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分等科學(xué)數(shù)據(jù)，為返回的樣品研究和分析提供最為詳盡的原位環(huán)境信息。

特別是月壤結(jié)構(gòu)探測儀（即測月雷達(dá)），它的功能相當(dāng)于可以對鉆采區(qū)域的淺層月壤做CT掃描，為采樣點(diǎn)的選擇以及鉆進(jìn)過程的安全性提供重要數(shù)據(jù)保障。

問題4：

探測數(shù)據(jù)如何回傳？

據(jù)左維介紹，嫦娥六號任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)由運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理、樣品儲存制備與處理、樣品與探測數(shù)據(jù)研究6個分系統(tǒng)構(gòu)成，各分系統(tǒng)相互配合協(xié)同，完成地面應(yīng)用系統(tǒng)承擔(dān)的嫦娥六號任務(wù)。

與嫦娥五號任務(wù)相比，嫦娥六號對地面應(yīng)用系統(tǒng)提出了新的要求：一是中繼星轉(zhuǎn)發(fā)的全新數(shù)傳模式對地面站數(shù)據(jù)接收能力的要求。嫦娥六號將在月球背面的南極—艾特肯盆地內(nèi)的預(yù)選著陸區(qū)著陸，并開展科學(xué)探測和采樣返回。由于受到月球的遮擋，位于月球背面的著陸點(diǎn)無法直接與地球之間通信，需要在鵲橋二號的支持下轉(zhuǎn)發(fā)月面探測器與地球之間的通信。鵲橋二號中繼星通過 S 頻段對地傳輸數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)的調(diào)制體制也發(fā)生變化。地面應(yīng)用系統(tǒng)的密云地面站和武清地面站均需要進(jìn)行 S 頻段數(shù)據(jù)接收設(shè)備研制與鏈路改造，以滿足嫦娥六號任務(wù)數(shù)據(jù)接收的要求。

同時，新增國際載荷和中繼星信道對數(shù)據(jù)處理的要求。嫦娥六號搭載了降落相機(jī)、全景相機(jī)、月球礦物光譜分析儀和月壤結(jié)構(gòu)探測儀等4臺繼承載荷，以及法國月球氡氣探測儀、歐空局/瑞典月表負(fù)離子分析儀、意大利激光角反射器和巴基斯坦立方星等4臺國際合作載荷。所有載荷的科學(xué)探測數(shù)據(jù)將不再直接傳送到地面站，而是通過鵲橋二號中繼星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，地面應(yīng)用系統(tǒng)需要重新研制中繼星信道處理軟件、國際載荷遙測數(shù)據(jù)處理和顯示軟件等來滿足嫦娥六號任務(wù)有效載荷運(yùn)行管理要求。

另外，還有月球背面月球樣品對樣品處理、制備、存儲和分析的要求。所以，地面應(yīng)用系統(tǒng)的主要任務(wù)還包括從探測器系統(tǒng)接收月球樣品，對月球樣品進(jìn)行本地和異地長期存儲，開展樣品解封、處理、制備、測試和分析。

問題5：

月球背面如何測控？

在嫦娥六號任務(wù)中，我國甚長基線干涉（VLBI）測量分系統(tǒng)在地月通信方面發(fā)揮著重要作用，它就像一雙眼睛，實(shí)時為嫦娥六號“導(dǎo)航”。

據(jù)中國科學(xué)院上海天文臺研究員鄭為民介紹，VLBI測量分系統(tǒng)是上海天文臺組織國家天文臺、新疆天文臺和云南天文臺的優(yōu)勢力量，共同構(gòu)建的高分辨率綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，包括“四站一中心”，即上海天馬站、北京密云站、新疆南山站、云南昆明站和上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心。

甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI），將分布在不同地方的望遠(yuǎn)鏡接收到的信號綜合起來，構(gòu)成分辨率超高的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，最高分辨率可等效為一臺直徑為3200千米的單口徑望遠(yuǎn)鏡。

自嫦娥一號開始，他們將實(shí)時VLBI技術(shù)成功應(yīng)用于月球探測器的測定軌，構(gòu)成了現(xiàn)有的“測距測速+VLBI測角”深空高精度測定軌體制。

2024年VLBI分系統(tǒng)計(jì)劃完成包括鵲橋二號中繼星和嫦娥六號在內(nèi)的多個月球探測器測定軌工作，并將支持首次地月VLBI試驗(yàn)。

在嫦娥六號任務(wù)中，VLBI測量分系統(tǒng)可以對四器組合體、四器分離后的軌道器和上升器進(jìn)行實(shí)時測定軌，還能分時對鵲橋二號中繼星進(jìn)行實(shí)時測定軌，支持對月球背面的測控通信。它還可以完成雙目標(biāo)觀測的快速切換與測定軌，確保嫦娥六號探測器與中繼星之間的切換能在50分鐘內(nèi)完成。

問題6：

嫦娥五號樣品取得了哪些研究成果？

2020年12月17日，嫦娥五號從月球帶回1731克月壤樣品，這是人類首次獲得的月表年輕火山巖區(qū)樣品，也是中國科學(xué)家第一次擁有屬于自己的地外天體返回樣品。

據(jù)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員賀懷宇介紹，截至目前，經(jīng)月球樣品專家委員會評審，國家航天局已經(jīng)完成6批嫦娥五號月球科研樣品的發(fā)放，第7批已經(jīng)完成評審，尚未完成審批。前6批累計(jì)向40家科研機(jī)構(gòu)的114個科研團(tuán)隊(duì)發(fā)放月球樣品258份，共計(jì)77.7克。

“嫦娥五號樣品返回之前，我們也聽到了一些聲音——國外有300多公斤的月球樣品已經(jīng)研究了50多年，你們還能研究出什么花樣？”她說，雖然發(fā)放樣品僅占返回樣品的4.5%，但所取得的科學(xué)研究成就卻涵蓋了月球形成、演化、太空風(fēng)化作用與機(jī)制以及資源利用等多個領(lǐng)域。目前已有70余項(xiàng)嫦娥五號月球樣品研究成果在《科學(xué)》《自然》《國家科學(xué)評論》等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，其中，很多成果引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注和高度評價。

她舉例說，其中的成果包括證實(shí)月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年。利用自主研發(fā)的超高分辨定年技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)測定了嫦娥五號玄武巖形成于20億年，將月球火山活動的結(jié)束時間推遲了約8億年，并為撞擊坑定年曲線提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)，大幅提高了內(nèi)太陽系星球表面撞擊坑定年的準(zhǔn)確度。

嫦娥五號月球樣品研究初步實(shí)現(xiàn)了服務(wù)我國深空探測需求、牽引我國月球與行星科學(xué)發(fā)展的目標(biāo)。值得一提的是，在學(xué)科和人才隊(duì)伍建設(shè)方面，國內(nèi)的地外樣品研究團(tuán)隊(duì)由原來的幾個發(fā)展到現(xiàn)在的100多個。

嫦娥五號月球樣品研究初步實(shí)現(xiàn)了服務(wù)我國深空探測需求、牽引我國月球與行星科學(xué)發(fā)展的目標(biāo)。值得一提的是，在學(xué)科和人才隊(duì)伍建設(shè)方面，國內(nèi)的地外樣品研究團(tuán)隊(duì)由原來的幾個發(fā)展到現(xiàn)在的100多個。

“月球樣品研究吸引了地學(xué)、天文、物理、化學(xué)、生物等各學(xué)科研究者的廣泛興趣，推動了我國行星科學(xué)的發(fā)展，培養(yǎng)了行星科學(xué)研究的人才隊(duì)伍，初步形成了科學(xué)、技術(shù)、工程融合創(chuàng)新發(fā)展的局面。”她說。

問題7：

分給科學(xué)家的樣品只有幾克，甚至幾毫克，夠用嗎？

賀懷宇說，隨著技術(shù)、學(xué)科和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展，科研人員可以利用微量樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，毫克級的樣品已經(jīng)是大樣品了。另外，發(fā)出去的樣本最終還要被回收，科研團(tuán)隊(duì)申請時就要寫清楚可能的損耗。從另一個角度說，實(shí)驗(yàn)時更主張使用微量樣品，因?yàn)樵谔罩袠悠方?jīng)常是不均衡的，使用的樣本顆粒越小，得到的信息越真實(shí)。