北京時間12月8日凌晨2:23，嫦娥4號月球探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由長征3號乙改型（CZ-3B）運載火箭發(fā)射升空。
官宣了（圖片來源：@中國航天科技集團）
2019年1月3日上午10:26，經(jīng)過26天的飛行，嫦娥4號月球探測器順利著陸在月球背面東經(jīng)177.6°，南緯45.5°的預選著陸區(qū)中，成為人類首顆成功軟著陸月球背面的探測器，并通過鵲橋中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。這是中國探月工程“繞、落、回”計劃的第二階段，也是繼5年前的嫦娥3號任務成功完成之后我國深空探測史上的新篇章。
當日下午15:07，北京航天飛行控制中心通過“鵲橋”中繼星“向嫦娥4號發(fā)送兩器分離的指令。22:22，月球車順利踏上月球背面！月球車的名字也同步揭曉——玉兔二號將接替玉兔號月球車，努力成為”看星星最多的兔子“！
玉兔號vs玉兔二號（圖片來源：探月工程）
嫦娥4號任務包括一枚著陸器和巡視器（月球車）的組合體。
嫦娥4號著陸器（上左）和月球車（上右）的模型（圖片來源：航天科技集團）
著陸之后的嫦娥4號會打開太陽能電池板，將天線指向中繼星傳回訊號，并于幾個小時后釋放月球車。我們即將再次看到著陸器和月球車歷史性的兩器互拍！
2013年12月15日，嫦娥3號落月6個小時后，著陸器的地形地貌相機和月球車玉兔的全景相機互拍▼
（圖片來源：新華社）
這是1月3日嫦娥4號著陸器的降落相機拍的▼
（圖片來源：CLEP）
這是1月3日嫦娥4號著陸器的監(jiān)視相機C拍攝的著陸點南側月球背面圖像▼
月球車將朝這個方向駛向月球表面（圖片來源：CNSA/CLEP[1]）
難以“觸及”的月之背面
本次嫦娥4號任務計劃著陸在月球背面，這是人類首次嘗試著陸和實地探測月球背面，也將是對我國軌道控制、著陸和通訊技術的巨大挑戰(zhàn)。
由于被地球的引力鎖定（也就是“潮汐鎖定”），月球始終只有相同的一面朝向地球，這導致地球上的我們永遠只能看到月球的正面。不過，需要注意的一點是，“月之背面”并不是“月之暗面”，事實上，月球的背面和正面都會輪流被陽光照射到。
（圖片來源：作者制作）
人生代代無窮已，江月年年只相似。▼
任時空流轉，月亮的臉從來不曾改變（圖片來源：[2]、維基）
盡管自1959年蘇聯(lián)的月球3號傳回了第一張月球背面的影像以來，人類已經(jīng)派出上百艘探測器在環(huán)繞月球飛行的過程中用各種遙感手段把月球背面的影像、光譜、成分、重力等各種信息“看”了個清清楚楚。
第一張月球背面影像。左邊的暗色區(qū)域分別為危海、史密斯海、界海；下方為南海；右上為莫斯科海（圖片來源：維基）
但著陸探測又是另一回事了。
確實，自1958年開始嘗試探索月球以來，人類和無人探測器已經(jīng)成功著陸過月球數(shù)十次，總計有20臺著陸器，6臺月球車，12個宇航員安全上過月球表面這塊不算遙遠但依然神秘的土地，其中包括我國2013年12月成功著陸的嫦娥3號著陸器和玉兔號月球車。
但這些著陸任務全部位于月球正面。▼
人類目前為止所有成功的月球軟著陸任務，包括美國的勘測者號（Surveyor）系列，蘇聯(lián)的月球號（Luna）系列和美國的阿波羅號（Apollo）系列。而月球自1976年后再一次迎來來自地球的著陸器，就已經(jīng)是近40年后的嫦娥3號了（圖片來源：維基）
到目前為止，月球背面還是人類著陸探測史上的空白▼
（圖片來源：作者制作）
前路險阻，“鵲橋”先行
著陸背面相比于正面有很多困難，但最重要的一條是通訊障礙。由于被地球潮汐鎖定，月球背面的探測器無法和地球直接通訊。這也是之前美國和蘇聯(lián)數(shù)個月球著陸任務都安排在月球正面的一大原因。
為了配合嫦娥4號挑戰(zhàn)月球背面，我國已在半年前（5月21日）預先發(fā)射了一枚通訊中繼衛(wèi)星“鵲橋”，作為接下來的著陸器/月球車與地球進行通訊的“橋梁”（詳見嫦娥4號中繼星“鵲橋”發(fā)射成功：一橋飛架南北，天塹變通途）。
今年珠海航展中展出的1:3鵲橋模型（圖片來源：作者制作）
這枚通訊中繼衛(wèi)星已于6月14日順利抵達預定的地月拉格朗日L2暈軌道（halo軌道），就等著為嫦娥4號的兩位主角服務了。
（圖片來源：吳偉仁等）
但困難的另一面，也是機遇。由于沒有地球大氣層的干擾，月球背面著得天獨厚的天文觀測環(huán)境，本次嫦娥4號也會充分利用月球背面的觀測優(yōu)勢。
嫦娥4號的奔月之路
2018年12月8日凌晨2:23，嫦娥4號月球探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由長征3號乙改型（CZ-3B）運載火箭發(fā)射升空。
長征3號乙改型（CZ-3B）運載火箭搭載嫦娥4號發(fā)射升空（圖片來源：新華網(wǎng)）
12月12日16時45分，經(jīng)過約110小時的地月轉移軌道后，嫦娥4號探測器成功實施近月制動，進入了近月點約100公里的環(huán)月軌道。這段路程比花費了112個小時的嫦娥2號、3號和鵲橋號快了2個小時，而且由于軌道準確，預定的三次軌道修正最終只執(zhí)行了一次，第三次和第一次都取消了。
不過，由于嫦娥4號入軌的時候是背面著陸區(qū)的夜晚（月球上一個白天是14個地球日，一個夜晚也是14個地球日），所以等到了夜晚過去清晨來臨，才開始準備著陸。在這段等待期里，嫦娥4號也沒閑著，而是展開了一系列準備工作：包括2次環(huán)月軌道修正，與“鵲橋”中繼星進行了4次中繼鏈路測試，開展了激光測距、三維成像、微波測距測速等導航敏感器在軌測試等等[3]。
12月30日8時55分，嫦娥4號探測器在距月面平均高度約100公里的環(huán)月軌道上成功變軌，降軌進入近月點高度約15公里、遠月點高度約100公里的環(huán)月軌道，順利進入預定的月球背面著陸準備軌道[3]。
嫦娥4號著陸在哪里？
嫦娥4號著陸的地方位于南極-艾特肯盆地（簡稱SPA）中的馮·卡門撞擊坑內(nèi)，是一個盤踞月球背面南半球的巨型隕石坑。
盤踞月球南半球的SPA盆地，紅圈是盆地的內(nèi)外環(huán)大致邊界，外環(huán)標志著SPA盆地的延伸范圍。（圖片來源：作者根據(jù)LROC WAC影像和[4]繪制）
對南極-艾特肯盆地的認識變化，貫穿了人類短短幾十年的月球探測史。
早在20世紀60年代初甚至更早，地基天文觀測者們就已經(jīng)注意到月球背面南半球很可能有一個大型盆地[4]（我們通常把直徑300公里以上的撞擊坑叫做撞擊盆地），因為它的一小部分有時候會從正面觀測到一點痕跡。
但直到1968年蘇聯(lián)的Zond 6號探測器傳回了這一區(qū)域的照片，人們才最終確定了這一區(qū)域的存在[6,7]。
再直到1994年的克萊門汀號探測器，人們才從地形數(shù)據(jù)中真正認識到了SPA盆地的輪廓，還告訴我們這里略微有一點富鐵。
克萊門汀時代認為的SPA盆地范圍。越紅代表越高，越紫代表越低（圖片來源：NASA）
再然后，1998年月球勘探者號獲取的礦物成分分布數(shù)據(jù)又告訴我們這里不僅富鐵，而且富釷，而且SPA盆地其實并不是一個正圓，而是一個2400×2050公里的橢圓。也就是說，當年那個小天體是以一個貼近地面的小角度傾斜撞擊過來的。
SPA盆地的內(nèi)外環(huán)邊界，以SPA盆地的中心為圖像中心（圖片來源：[2]）
不過，之所以叫南極-艾特肯盆地，并不是表示這個盆地位于南極的意思，事實上，SPA盆地的內(nèi)環(huán)中心大約在53.2°S，168.9°W，距離南極還是很有一段距離的。
南極-艾特肯盆地是以盆地邊緣兩頭的兩個地方——月球南極+艾特肯撞擊坑的名字聯(lián)合命名的。
（圖片來源：LRO）
這種命名方式似乎是20世紀70年代末期行星地質(zhì)學家們命名盆地的一種“時尚”，事實上，那段時間出產(chǎn)的地質(zhì)圖里，除了南極-艾特肯盆地之外，還誕生了孟德爾-里德伯盆地（翻譯一下就是“一個被孟德爾撞擊坑+里德伯撞擊坑圈定范圍的盆地”）、庫侖-薩爾頓盆地、穆圖什-佛拉哥盆地、弗羅因德利希-沙羅諾夫盆地等多個類似盆地的命名。
所以說，“南極-艾特肯盆地”這個詞是不能拆開單用的，“南極的艾特肯盆地”之類的表達也是不對滴。
南極艾特肯盆地對我們認識月球有不可替代的重要和特殊意義。這也是本次嫦娥4號選擇這個區(qū)域的原因。
首先是大。
SPA盆地是太陽系中目前已知的最大的撞擊盆地之一。它可以幫助我們了解太陽系中的超大型撞擊事件的過程是怎樣的，會帶來什么。
其次是深。
SPA盆地深達13公里，是月球上最深的撞擊盆地。這意味著當年的撞擊事件很可能挖出了月殼深處甚至月幔的物質(zhì)，這些挖掘出的物質(zhì)，會是我們研究月球內(nèi)部成分的鑰匙。
然后是古老。
據(jù)估計，SPA盆地形成于月球的前酒海紀（39.2億年前），是月球上最古老的大型撞擊盆地之一。想要建立月球45億年的漫長歷史，SPA盆地是一個至關重要的環(huán)節(jié)。
欲善其事，先利其器——嫦娥4號帶了什么儀器？
作為嫦娥3號的備份機，嫦娥4號不管是外形還是攜帶的科學儀器都很大程度上繼承了嫦娥3號，兩者都由一臺著陸器和一臺巡視器（月球車）組成，乍一看簡直傻傻分不清楚。
（圖片來源：CNSA）
不過，如果知道它們實際帶了什么科學儀器，就很好分辨啦！
嫦娥3號和嫦娥4號都各自攜帶了8個科學儀器，嫦娥4號根據(jù)實際探測目標和探測環(huán)境的變化對攜帶的科學儀器做出了新的調(diào)整[8]。
（圖片來源：作者制作）
嫦娥4號在嫦娥3號的基礎上保留下來的儀器們主要用于拍攝著陸過程和著陸區(qū)附近的照片（著陸相機、地形地貌相機、全景相機）、探測月球車沿途的礦物成分（紅外成像光譜儀）和淺表層結構（測月雷達）；而替換的新儀器們（低頻射電頻譜儀、月表中子及輻射劑量探測器、中性原子探測器）則側重于利用月球背面得天獨厚的天文環(huán)境進行探索性觀測。
尤其是低頻射電頻譜儀，它一方面將充分利用月球背面無干擾的低頻射電天文環(huán)境，填補0.1~40 MHz范圍內(nèi)的射電觀測空白；另一方面還會與鵲橋中繼衛(wèi)星上攜帶的我國與荷蘭合作研發(fā)的低頻射電探測儀（NCLE）協(xié)同觀測，互為驗證和補充。
這既是此次任務的新嘗試，也是中國與其他國家合作探測、共享數(shù)據(jù)的重要里程碑。
3根5米長的低頻射電頻譜儀天線是嫦娥4號著陸器與嫦娥3號外形上最顯著的區(qū)別▼
（圖片來源：作者制作）
而嫦娥4號月球車因為不再攜帶粒子激發(fā)X射線譜儀，所以也就不需要機器臂了▼
（圖片來源：作者制作）
此外，本次嫦娥4號任務還將首次嘗試建立月面微型生態(tài)系統(tǒng)，它將攜帶馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅，驗證動植物在月面太陽自然光照和低重力條件下的生長狀況。
總之，這些觀測將有助于人類加深對月球地質(zhì)、月球的生存和探索環(huán)境、月球背面獨特的射電天文環(huán)境的認識。
發(fā)射前
雖然三姐鼓勵我們：別緊張，去月球探險就當是春游。 可是…還是好緊張啊…那畢竟是從沒有人去過的地方啊！
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（圖片來源：寒花繪制、haibaraemily設計）
發(fā)射后
ByeBye！我們要去月球啦！
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（圖片來源：寒花繪制、haibaraemily設計）
參考文獻：
[1]http://www.xinhuanet.com/photo/2019-01/03/c_1123942403.htm
[2]http://www.maps-of-the-world.net/space-maps/maps-of-the-moon/
[3]國家航天局 | 嫦娥四號探測器成功實施環(huán)月降軌控制
http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6804993/content.html
[4]Garrick-Bethell, I., & Zuber, M. T. (2009). Elliptical structure of the lunar South Pole-Aitken basin. Icarus, 204(2), 399-408.
[5]Hartmann, W. K., & Kuiper, G. P. (1962). Concentric structures surrounding lunar basins. Communications of the Lunar and Planetary Laboratory, 1, 51-66.
[6]Rodionov, B. N., Isavnina, I. V., Avdeev, Y.F., Blagov, V. D., Dorofeev, A. S., Dunaev, B. S., ... & Mikhailovskii, A.B. (1971). New data on the Moon's figure and relief based on results from the reduction of Zond-6 photographs. Cosmic Research, 9, 410
[7]D.E.Stuart-Alexander, U.S. Geol. Surv. Map l-1047 (1978).
[8]吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 于國斌, 劉繼忠, & 張瑋等. (2017). "嫦娥4號"月球背面軟著陸任務設計. 深空探測學報, 4(2), 111-117.
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
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