關(guān)于作者
鄭永春，博士，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)月球與深空探測(cè)研究部、中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員。2000年起參與探月工程、深空探測(cè)等國(guó)家重大科技任務(wù)。主要研究領(lǐng)域?yàn)樾行堑刭|(zhì)與遙感。
首批香江學(xué)者計(jì)劃入選者，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)首批入選者，中國(guó)青年科技工作者協(xié)會(huì)代表。先后獲中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)、我國(guó)首次月球探測(cè)工程有功人員獎(jiǎng)、探月工程嫦娥二號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)者獎(jiǎng)、香江學(xué)者獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員等。
科普之二——嫦娥三號(hào)的月基天文望遠(yuǎn)鏡
鄭永春
2015年07月17日
2013年12月2日發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”結(jié)合了月球軟著陸就位探測(cè)和月面巡視探測(cè)的各自特色，提出了具有鮮明特色的科學(xué)目標(biāo)：“觀天、探地、測(cè)月”。其中觀天的科學(xué)目標(biāo)由安裝在著陸器上的月基天文望遠(yuǎn)鏡完成觀測(cè)星空的任務(wù)。
月基望遠(yuǎn)鏡由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)與中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所合作研制，它將對(duì)各種天文變?cè)吹牧炼茸兓袨檫M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)，然后拍照把數(shù)據(jù)傳回地球，就是“巡天”。在月亮上觀測(cè)天文是世界上很多天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的事情之一，地球上的天文觀測(cè)要受到地球大氣各種效應(yīng)和地球運(yùn)動(dòng)的影響，其觀測(cè)條件、觀測(cè)精度和觀測(cè)對(duì)象有許多限制，往往無(wú)法滿足現(xiàn)代天文觀測(cè)的要求。而月基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星空卻有著特殊的優(yōu)勢(shì)。
首先，月球上沒(méi)有空氣，也不會(huì)有風(fēng)，表面環(huán)境處于超高真空狀態(tài)，因而在那里進(jìn)行天文觀測(cè)就不會(huì)受到大氣折射、散射和吸收的影響。月球的自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)達(dá)27天，其中13.5天是白天，13.5天是黑夜，而即使是白天月球上的星空也是黑暗的，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)。這就使得我們能夠觀測(cè)到望遠(yuǎn)鏡視野所及的全部天空，并對(duì)很暗的天體進(jìn)行充分長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，使天文學(xué)家能夠獲得更清晰視野。月球沒(méi)有大氣，不存在大氣對(duì)某些電磁波譜段的吸收，因此月基望遠(yuǎn)鏡可以接收到來(lái)自遙遠(yuǎn)星空的信號(hào)，有望實(shí)現(xiàn)全波段天文觀測(cè)。
其次，月球是一個(gè)地基非常穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)。登月探測(cè)表明，月震放出的能量比地球上平均地震能量小一億倍，月震產(chǎn)生的月面移動(dòng)約十億分之一米。這樣的穩(wěn)定性對(duì)于天文光學(xué)、射電、紅外觀測(cè)是極為有利的。由于月球可為望遠(yuǎn)鏡提供一個(gè)巨大穩(wěn)固的觀測(cè)平臺(tái)，因而可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的安裝、指向和跟蹤系統(tǒng)，這一點(diǎn)是處于失重狀態(tài)的天文衛(wèi)星所望塵莫及的。月球表面的重力只有地球表面的重力的六分之一，也有利于在月球表面安裝天文臺(tái)和大望遠(yuǎn)鏡。
再則，由于月球遠(yuǎn)離地球，它所受到的人類活動(dòng)影響和地球本身的各種運(yùn)動(dòng)的影響遠(yuǎn)比人造衛(wèi)星小得多。一方面，月球上沒(méi)有城市燈光污染，屬于天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的漆黑天空；另一方面，由于月球的自轉(zhuǎn)周期和它繞地球的公轉(zhuǎn)周期恰好相等，因此它總是以一面對(duì)著地球，月球背向地球的一面上也就不會(huì)有手機(jī)、電視等無(wú)線電信號(hào)的干擾。如果我們把天文望遠(yuǎn)鏡，特別是射電望遠(yuǎn)鏡放到背向地球的那一邊，那里純凈的電磁環(huán)境對(duì)射電觀測(cè)極為有利。除此之外，月球南北極的有些撞擊坑處于太陽(yáng)照射不到的永久黑夜區(qū)，溫度常年維持在零下230攝氏度左右，非常有利于開展需要在極低溫條件下才能實(shí)現(xiàn)的紅外天文觀測(cè)。
1972年，“阿波羅16號(hào)”宇航員曾在月面安裝過(guò)一臺(tái)口徑為3英寸（約76亳米）的施密特望遠(yuǎn)鏡，終端儀器是遠(yuǎn)紫外相機(jī)／攝譜儀，用來(lái)觀測(cè)地球、星云、星團(tuán)和大麥哲倫星系。整個(gè)系統(tǒng)安放在一個(gè)簡(jiǎn)易的三角架上并置于登月艙的影子里，以避免白天過(guò)熱。受當(dāng)時(shí)探測(cè)手段和技術(shù)條件限制，這臺(tái)儀器對(duì)天文學(xué)做出的貢獻(xiàn)非常有限。但在月面上拍攝的大麥哲倫星系的照片也完全證實(shí)了天文學(xué)家推斷的 月球表面是進(jìn)行天文觀測(cè)的理想場(chǎng)所。
此次中國(guó)隨嫦娥三號(hào)探測(cè)器登月的月基望遠(yuǎn)鏡，焦距200亳米，主要用于極紫外的天文觀測(cè)，其探測(cè)手段和性能都有極大的提高。月基天文望遠(yuǎn)鏡由望遠(yuǎn)鏡主體、反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)組成，總重量13.5公斤。
通過(guò)將月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡由直立安裝改為橫臥安裝后，可以大幅度提高觀測(cè)天區(qū)，實(shí)現(xiàn)60 90 的天區(qū)觀測(cè)，能較好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)；在月面工作期間，太陽(yáng)不可能處于月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)。
著陸之后月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月晝期間工作，月夜不工作。主要功能包括：能觀測(cè)V星等亮于6等的天體；具有對(duì)指定天區(qū)的定向指向能力。
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可適應(yīng)月面反射光、月球塵埃、月晝高溫、月夜低溫等環(huán)境影響。能夠適應(yīng)著陸器發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段、動(dòng)力下降段、著陸沖擊時(shí)和月表工作時(shí)的機(jī)、電、熱環(huán)境；具有一定的防塵措施；曝光時(shí)間可調(diào)。
當(dāng)然，月基天文觀測(cè)也不是沒(méi)有缺點(diǎn)的。地球上，由于大氣的存在好像給地球上空加了一個(gè)防護(hù)罩，一般的小流星進(jìn)入地球大氣后，由于高速運(yùn)動(dòng)與大氣間的摩擦所生之熱將流星燒蝕。而月球上沒(méi)有這種“防護(hù)罩”，遭到各種流星撞擊的幾率大大增加。另外，地球磁場(chǎng)可以屏蔽大量帶電的高能宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng)，而月球由于缺失磁場(chǎng)，望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)和電子學(xué)部件受到高能粒子破壞的概率也相應(yīng)增加。為此，還必須給各類設(shè)備加上特殊的“保護(hù)罩”，才能保證月基望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)工作。
月基望遠(yuǎn)鏡由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)與中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所合作研制，它將對(duì)各種天文變?cè)吹牧炼茸兓袨檫M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)，然后拍照把數(shù)據(jù)傳回地球，就是“巡天”。在月亮上觀測(cè)天文是世界上很多天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的事情之一，地球上的天文觀測(cè)要受到地球大氣各種效應(yīng)和地球運(yùn)動(dòng)的影響，其觀測(cè)條件、觀測(cè)精度和觀測(cè)對(duì)象有許多限制，往往無(wú)法滿足現(xiàn)代天文觀測(cè)的要求。而月基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星空卻有著特殊的優(yōu)勢(shì)。
首先，月球上沒(méi)有空氣，也不會(huì)有風(fēng)，表面環(huán)境處于超高真空狀態(tài)，因而在那里進(jìn)行天文觀測(cè)就不會(huì)受到大氣折射、散射和吸收的影響。月球的自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)達(dá)27天，其中13.5天是白天，13.5天是黑夜，而即使是白天月球上的星空也是黑暗的，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)。這就使得我們能夠觀測(cè)到望遠(yuǎn)鏡視野所及的全部天空，并對(duì)很暗的天體進(jìn)行充分長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，使天文學(xué)家能夠獲得更清晰視野。月球沒(méi)有大氣，不存在大氣對(duì)某些電磁波譜段的吸收，因此月基望遠(yuǎn)鏡可以接收到來(lái)自遙遠(yuǎn)星空的信號(hào)，有望實(shí)現(xiàn)全波段天文觀測(cè)。
其次，月球是一個(gè)地基非常穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)。登月探測(cè)表明，月震放出的能量比地球上平均地震能量小一億倍，月震產(chǎn)生的月面移動(dòng)約十億分之一米。這樣的穩(wěn)定性對(duì)于天文光學(xué)、射電、紅外觀測(cè)是極為有利的。由于月球可為望遠(yuǎn)鏡提供一個(gè)巨大穩(wěn)固的觀測(cè)平臺(tái)，因而可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的安裝、指向和跟蹤系統(tǒng)，這一點(diǎn)是處于失重狀態(tài)的天文衛(wèi)星所望塵莫及的。月球表面的重力只有地球表面的重力的六分之一，也有利于在月球表面安裝天文臺(tái)和大望遠(yuǎn)鏡。
再則，由于月球遠(yuǎn)離地球，它所受到的人類活動(dòng)影響和地球本身的各種運(yùn)動(dòng)的影響遠(yuǎn)比人造衛(wèi)星小得多。一方面，月球上沒(méi)有城市燈光污染，屬于天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的漆黑天空；另一方面，由于月球的自轉(zhuǎn)周期和它繞地球的公轉(zhuǎn)周期恰好相等，因此它總是以一面對(duì)著地球，月球背向地球的一面上也就不會(huì)有手機(jī)、電視等無(wú)線電信號(hào)的干擾。如果我們把天文望遠(yuǎn)鏡，特別是射電望遠(yuǎn)鏡放到背向地球的那一邊，那里純凈的電磁環(huán)境對(duì)射電觀測(cè)極為有利。除此之外，月球南北極的有些撞擊坑處于太陽(yáng)照射不到的永久黑夜區(qū)，溫度常年維持在零下230攝氏度左右，非常有利于開展需要在極低溫條件下才能實(shí)現(xiàn)的紅外天文觀測(cè)。
1972年，“阿波羅16號(hào)”宇航員曾在月面安裝過(guò)一臺(tái)口徑為3英寸（約76亳米）的施密特望遠(yuǎn)鏡，終端儀器是遠(yuǎn)紫外相機(jī)／攝譜儀，用來(lái)觀測(cè)地球、星云、星團(tuán)和大麥哲倫星系。整個(gè)系統(tǒng)安放在一個(gè)簡(jiǎn)易的三角架上并置于登月艙的影子里，以避免白天過(guò)熱。受當(dāng)時(shí)探測(cè)手段和技術(shù)條件限制，這臺(tái)儀器對(duì)天文學(xué)做出的貢獻(xiàn)非常有限。但在月面上拍攝的大麥哲倫星系的照片也完全證實(shí)了天文學(xué)家推斷的 月球表面是進(jìn)行天文觀測(cè)的理想場(chǎng)所。
此次中國(guó)隨嫦娥三號(hào)探測(cè)器登月的月基望遠(yuǎn)鏡，焦距200亳米，主要用于極紫外的天文觀測(cè)，其探測(cè)手段和性能都有極大的提高。月基天文望遠(yuǎn)鏡由望遠(yuǎn)鏡主體、反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)組成，總重量13.5公斤。
通過(guò)將月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡由直立安裝改為橫臥安裝后，可以大幅度提高觀測(cè)天區(qū)，實(shí)現(xiàn)60 90 的天區(qū)觀測(cè)，能較好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)；在月面工作期間，太陽(yáng)不可能處于月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)。
著陸之后月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月晝期間工作，月夜不工作。主要功能包括：能觀測(cè)V星等亮于6等的天體；具有對(duì)指定天區(qū)的定向指向能力。
月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可適應(yīng)月面反射光、月球塵埃、月晝高溫、月夜低溫等環(huán)境影響。能夠適應(yīng)著陸器發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段、動(dòng)力下降段、著陸沖擊時(shí)和月表工作時(shí)的機(jī)、電、熱環(huán)境；具有一定的防塵措施；曝光時(shí)間可調(diào)。
當(dāng)然，月基天文觀測(cè)也不是沒(méi)有缺點(diǎn)的。地球上，由于大氣的存在好像給地球上空加了一個(gè)防護(hù)罩，一般的小流星進(jìn)入地球大氣后，由于高速運(yùn)動(dòng)與大氣間的摩擦所生之熱將流星燒蝕。而月球上沒(méi)有這種“防護(hù)罩”，遭到各種流星撞擊的幾率大大增加。另外，地球磁場(chǎng)可以屏蔽大量帶電的高能宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng)，而月球由于缺失磁場(chǎng)，望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)和電子學(xué)部件受到高能粒子破壞的概率也相應(yīng)增加。為此，還必須給各類設(shè)備加上特殊的“保護(hù)罩”，才能保證月基望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)工作。