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月船二号轨道器2019年8月20日进入环月轨道,它的八台仪器此后报告了羟基、钠、氩-40和可能存在的极区冰
科学与太空

月船二号轨道器2019年8月20日进入环月轨道,它的八台仪器此后报告了羟基、钠、氩-40和可能存在的极区冰

图片: Indian Space Research Organisation / Wikimedia Commons, GODL-India (已裁剪)

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轨道器原计划绕月一年,印度空间研究组织自己的汇编说,精心管理使它的寿命接近七年。它的仪器给出了全球钠平均值、南纬60度到北纬60度之间的氩-40读数,以及2024年5月10日一次太阳风暴冲击月球大气的记录。

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月船二号轨道器于2019年8月20日进入环月轨道,携带八台仪器,用来测绘月球表面、稀薄的大气以及太阳的X射线。印度空间研究组织(ISRO)2021年8月的成果汇编说,这项任务原计划持续一年,而精确的发射和任务管理使轨道器的寿命接近七年。

利用它的数据写成的论文此后一直在陆续发表:2022年第一次全球尺度的钠测量,2025年月球大气中记录到的一次日冕物质抛射,以及2026年5月27日公布的关于南极陨击坑中可能存在冰的雷达研究。

从发射到9月7日的下降

2019年7月22日,一枚GSLV Mk III运载火箭把月船二号从斯里哈里科塔发射升空,着陆器叠在轨道器上,合计质量3,846公斤。汇编说,8月20日在月球附近完成入轨,随后进行四次机动,降到100乘100公里的轨道,9月2日着陆器维克拉姆(Vikram)分离。

轨道器还帮助了着陆本身。ISRO说,它的高分辨率相机在着陆前约十小时拍下了着陆点,图像中发现的危险地形在着陆前四小时上传给了维克拉姆。

ISRO的汇编说,维克拉姆的下降一直按计划进行到距月面2.1公里处。随后通信中断,着陆器重重撞上了月面。据2019年11月21日报道的一份人民院书面答复,政府说下降第二阶段的速度降低量超过了设计值,维克拉姆落在距预定地点500米以内。ISRO后来改了什么,见月船三号的文章。

2019年9月8日,ISRO主席K. 西万(K. Sivan)说:“我们已经找到了维克拉姆着陆器在月面上的位置,轨道器拍下了着陆器的一张热像图。”NASA的月球勘测轨道器后来拍到了撞击地点。2019年12月2日,NASA说沙恩穆加·苏布拉马尼安(Shanmuga Subramanian)最先认出的碎片,位于主撞击点西北约750米处。

计划一年,管理得远不止一年

ISRO关于轨道器第一年的说明称,它已完成4,400多圈轨道,自2019年9月24日到达100公里轨道以来进行了17次轨道维持机动。它把飞行器保持在100公里(上下浮动25公里)的极地轨道上。ISRO 2020年8月写道,星上燃料够用约七年。

仪器轮流工作。太阳与轨道面夹角较小时,光学仪器工作;夹角较大时,雷达工作。CLASS、XSM和CHACE-2在每个季节都运行,下传的数据送往印度空间科学数据中心。第一年里,轨道器的地形相机在220圈轨道上拍摄了近400万平方公里的月面。

表面的羟基和水

NASA在月船一号上的光谱仪在3微米附近看到了水合特征,但它的量程止于3.0,因此ISRO的汇编说,这一信号的性质无法确定。月船二号的成像红外光谱仪(IIRS)可读到5.0微米,每像素约80米,ISRO称它的结果是月球上水合特征的第一次明确探测,羟基和水各有单独的信号。

普拉卡什·乔汉(Prakash Chauhan)等人发表在《Current Science》上的一篇论文,列在ISRO的汇编里,报告说在北纬29度至62度之间的每个纬度和每种表面类型上都有水合。富含斜长石(一种浅色矿物)的岩石比被称为月海的深色平原显示出更多的水合。ISRO的汇编把阿里斯塔克斯陨击坑(Aristarchus)的含水量定为约百万分之15至170,平均约80,并说光谱看起来更像吸附的羟基而不是水。

找极区冰的雷达

轨道器的双频合成孔径雷达(DFSAR),按ISRO的说法,是环月轨道上第一部全极化的双频成像雷达。月船一号和NASA月球勘测轨道器上较早的雷达,在极区陨击坑里发现了明亮的异常信号,这些信号可能来自冰,也可能来自粗糙多石的地面。汇编说,这些结果含糊不清,DFSAR的全极化使两者得以区分。

它绘出了北极附近皮里陨击坑(Peary)底部小陨击坑内可能含冰的区域。在卡比厄斯陨击坑(Cabeus),也就是2009年LCROSS实验撞击的南极陨击坑,首次分析在所研究那部分的顶部两到三米内没有发现厚实的纯冰。它确实标出了几处混入土壤的可能的“脏冰”。

ISRO和物理研究实验室(PRL)2026年5月27日的一项公告走得更远。以辛哈(Sinha)为第一作者的PRL团队在《npj Space Exploration》上报告说,在南极附近四个双重阴影陨击坑的底部之下发现了雷达特征,所谓双重阴影陨击坑,是指位于更大的永久阴影陨击坑内部的小陨击坑。他们的判据是圆极化比大于1,同时极化度小于0.13。福斯蒂尼陨击坑(Faustini)内一个1.1公里的陨击坑给出了最有力的证据。按ISRO的描述,四个陨击坑都与可能存在的地下冰相符,没有一个得到确认。

钠、氩-40和两种金属

轨道器的X射线光谱仪CLASS给出了月球表面钠的第一次全球尺度测量,论文由ISRO的U R 拉奥卫星中心的S. 纳伦德拉纳特(S. Narendranath)牵头,2022年9月26日发表。论文说,全球平均值为按重量计1.33±0.03%,高于此前所知:阿波罗、月球号和嫦娥五号带回的土壤样品为0.3%至0.72%。在作者的解读中,数据中的趋势表明,有一层长期存在的钠附着在颗粒表面,这可能使月球的钠外逸层得到补充。

CHACE-2是一台对月球近乎真空的大气取样的质谱仪,它测量了南纬60度到北纬60度之间的氩-40。此前阿波罗17号和NASA的LADEE的测量只覆盖赤道。ISRO说,这种气体被认为来自放射性钾-40的衰变。它的密度在日出前后达到峰值,日落前后有一个较小的峰值,夜间降到最低。它还在两个区域上空隆起,即南极-艾特肯盆地和一种叫KREEP的地形。作者列出的可能原因中有月震。在2021年9月的研讨会上,ISRO补充说,CLASS发现了微量的铬和锰。

从月球看太阳

太阳X射线监测仪(XSM)自2019年9月起观测太阳,当时正处于过去一个世纪里最深的太阳活动极小期。PRL的桑托什·瓦达瓦莱(Santosh Vadawale)牵头的一篇论文,在76天里数出98次弱于GOES耀斑强度分级中A级的微耀斑,热能从3×10^26到6×10^27尔格。作者称,这是对软X射线中大量此类事件样本的第一次完整分析。

ISRO的成果页面补充了九次B级耀斑,从B1.3到B4.5,它们的镁、铝、硅和硫丰度在峰值时降向光球值,之后又回到日冕值。用ISRO的话说,这是对这么小的耀斑的第一次绝对丰度测量。这项工作早于印度的专门太阳探测任务Aditya-L1。

2024年5月10日,一连串日冕物质抛射,也就是从太阳抛出的巨大等离子体云,到达了月球。ISRO报告说,CHACE-2看到向阳面外逸层的数密度上升了十倍以上,ISRO称这是对模型曾预言的一种效应的第一次直接观测。论文由M. B. 丹亚(M. B. Dhanya)等人撰写,2025年8月16日发表在《Geophysical Research Letters》上。

地图、巨石和一条年轻的断层

地形相机2019年10月15日在丰富海(Mare Fecunditatis)地区发现了一条小型逆冲断层崖,那是在低角度阳光下,小起伏会投下阴影。一年说明称它长1,416米,平均起伏24米,可能形成于哥白尼纪,那样的话在地质上就很年轻。地壳缩短和火山穹丘的迹象,在研讨会摘要列出的这台相机的发现之中。

另一台仪器,轨道器高分辨率相机(OHRC),数出博古斯拉夫斯基E(Boguslawsky E)附近一个340米陨击坑周围有1,969块大于1.12米的巨石,ISRO的汇编根据巨石的分布估计这个陨击坑有6,500万至8,700万年。ISRO的各份文件对这台相机的分辨率说法不一:汇编说星下点0.25米,一年说明说约30厘米,研讨会摘要说25厘米。

轨道器给月船三号的帮助

ISRO的汇编说,OHRC还被用来给月船三号可能的着陆点成像。K. 杜尔加·普拉萨德(K. Durga Prasad)等人的一篇论文,用OHRC的高程模型刻画了月船三号的备用着陆点,它位于主着陆点以西约450公里,纬度几乎相同。

轨道器还是通信的备份。ISRO的任务页面把它称为应急链路,发射手册则把它列入着陆器的通信路径。2023年8月21日,也就是着陆前两天,ISRO宣布轨道器与维克拉姆之间建立了双向通信,为班加罗尔的控制中心增加了一条通道。ISRO的帖子写的是“欢迎,伙伴!”

着陆两天后的2023年8月25日,ISRO发布了一张月船三号着陆器在月面上的照片,由轨道器的高分辨率相机拍摄,配的文字是“我看见你了!”PRL和ISRO的S. 维贾扬(S. Vijayan)等人的一篇论文,把OHRC图像与智慧号(Pragyan)月球车的相机结合起来,发现着陆点位于一个被掩埋的撞击坑上。按ISRO 2024年9月30日的发布,这个坑直径约160公里,深4.4公里。

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资料来源与延伸阅读

  1. ISRO: Science Results from Chandrayaan-2 (compilation, version 1.0, August 2021)
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  7. ISRO: Chandrayaan-2 DFSAR and possible subsurface ice in doubly shadowed craters near the lunar south pole (27 May 2026)
  8. Narendranath et al., Sodium Distribution on the Moon, The Astrophysical Journal Letters 937 (2022)
  9. Vadawale et al., Observations of the quiet Sun during the deepest solar minimum of the past century with Chandrayaan-2 XSM, The Astrophysical Journal Letters 912 (2021)
  10. Outlook India (PTI): Chandrayaan-2's Vikram lander had hard landing, government tells Lok Sabha (21 November 2019)
  11. Scroll.in: Chandrayaan-2, lander located on Moon, trying to establish contact, says ISRO chief (8 September 2019)
  12. NASA: Vikram Lander Found (2 December 2019)
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  16. All India Radio: ISRO releases video of Chandrayaan-3 rover Pragyan rolling down to the Moon's surface (25 August 2023)
  17. Durga Prasad et al., Chandrayaan-3 alternate landing site: pre-landing characterisation
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