中秋月话 - “嫦娥之父”欧阳自远细说中国探月

“嫦娥一号”是我国第一颗探月卫星,欧阳自远是中国天体化学领域的开创者,因其在中国探月工程中的杰出贡献,被誉为“嫦娥之父”。

2007年11月7日,在确认“嫦娥一号”成功被月球捕获并开始绕月运行的那一刻,中国绕月探测工程首席科学家欧阳自远院士与总设计师孙家栋院士,两个年逾古稀的科学家兴奋、激动得抱头痛哭。中国开始了向太阳系的星辰大海挺进的坚实步伐!

心无界,境自远。从抬头仰望星空那一刻起,到中国第一颗月球探测卫星——“嫦娥一号”升上天际,人类对太阳系的探索从未停息。在这个中秋佳节,让我们来认识这个和月球打了大半辈子交道的人,聆听他求索天地间的岁月往事。

欧阳自远:细说中国探月

月球是地球的卫星,是离地球最近的一个天体。迄今为止,一共有12人登上过月球表面,均为美国航天员。

齐奥尔科夫斯基是一位伟大的苏联航天科学家,他计算出了航天飞行的三个宇宙速度。在他的墓志铭上,刻着这样一段话:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮里,开始他们将小心翼翼穿出大气层,然后去征服太阳系。”

他的描述非常逼真,因为就目前的科技水平,也许在一个世纪内,人们的探测范围都只能在太阳系。

1977年,美国发射了两个飞行器:旅行者一号和旅行者二号。46年时间过去,它们才刚刚飞过了八大行星,远没有到达太阳系的边界。根据测算,直到4.6万年后,它们才可能飞到隔壁的太阳系。

而要探测太阳系的星辰大海,月球探测是一个起点。

1957年10月4日,苏联发射了第一颗人造地球卫星,拉开了人类空间时代的帷幕。

中国探月工程经历了35年漫长的准备,10年精确论证。当时我被任命为首席科学家去探测月球,这令我非常兴奋。

2007年10月24日,“嫦娥一号”从月亮城——西昌发射升空,虽然比美国和苏联晚了半个世纪,但我们有一个要求,那就是:所有人家做过的、很重要的,我们也要做,并且要做得更好,要让全世界用中国的数据。同时,还有1~2项是别人没有做过的。

我们知道,未来地球会面临能源危机,所以越来越多的国家和组织开始把目光转向月球。氦-3是一种在地球上很难得到的清洁、安全、高效的核聚变发电燃料,被科学家们称为“完美能源”。各国科学家们已经围绕着月球上氦-3的储量、采掘、提纯、运输及月球环境保护等问题悄然开展相关研究。

下面这张图是“嫦娥一号”做的月球元素分布图。这些原料地球上没有,但月球上有,是中国最早将其分布图做出来,并向全世界公布。

来源:欧阳自远院士PPT

我们测定了月球土壤层的厚度,以此来计算月球上氦-3资源的含量,这项成果是世界首创。最终,我们测算出月球上氦-3的含量为100万吨以上,至少可以保证人类用一万年,这是中国为全人类做出的重大发现。

“嫦娥二号”发射时,我们有经验了,给它带足了原料,供其进行绕月飞行。我们希望“嫦娥二号”做出来的图,能做到全世界分辨率最高。

2010年10月1日,“嫦娥二号”发射成功,它飞了77天,飞到距离地球约150万公里的地方,记录到太阳爆发活动的数据,这个数据也是人类首次获得。

非常幸运的是,这次“嫦娥二号”还偶遇了一颗小行星。我们通过精确计算小行星的轨道路线,计划让“嫦娥二号”飞过去,拍下它的照片。我们要求它们见面的时候,距离不得大于1公里。

在距离地球1000多万公里的地方,控制“嫦娥二号”贴着小行星飞,距离还不得大于1公里,到底怎么去实现?搞技术的同志真的辛苦,想尽各种办法,真的精确地实现了!最后距离是860米,它们擦肩而过,拍下了珍贵的照片。

就是这颗小行星,长4.46公里,宽2.4公里,形状像颗花生。这次经历,也是中国第一次去探测一个小行星。

来源:欧阳自远院士PPT

现在“嫦娥二号”还有能量,大约2029年,它还要返回地球,那时我们再听它诉说一生的奇遇。

嫦娥一号、二号的任务是绕月,三号、四号的任务是落月。让四条腿的着陆器安安稳稳地落到一个平面上,如何选址就成了难题。

为此,我们做了一个技术创新。

2013年12月2日凌晨1时30分,“嫦娥三号”在西昌卫星发射中心发射。“嫦娥三号”用了一项新技术:人工智能。着陆器根据人工智能的指挥,会选择最合适的地点安全落下。

“嫦娥三号”这次正面登月,做了很多其他国家没做过的事。

来源:欧阳自远院士PPT

“嫦娥三号”的着陆器安装了四个特殊的仪器:人工智能指挥的降落相机;极紫外相机,用来观测地球极紫外的浓度、大小的变化;月基光学望远镜,在月球上观察天文;地形地貌相机。

“嫦娥三号”就这样一步一步地做,整个软着陆过程大约12分钟,最终平安地,而且很出色地完成了任务。

我们把“嫦娥三号”落地的地方命名为“广寒宫”,这项命名已经获得国际批准。另外,“嫦娥三号”还实现了长期对太阳的观测及对地球环境的监测。

自从我们的老祖宗抬头望月开始,一直到今天,人类看到的月亮只是半个月亮,月亮的另一侧在地球上永远也看不见。根据“嫦娥一号”和“嫦娥二号”传回的照片,可以看到,月球的背面地形很陡,都是高山峻岭,太危险了!

2018年12月8日,“嫦娥四号”成功发射,历时27天,于2019年1月3日10时26分成功着陆月球背面,它着陆的地方很特别,是月球背面一个巨大的盆地,叫冯·卡门撞击坑,直径有2480公里,深度12.8公里,是40亿年前一个巨大的天体撞击月球砸出来的。

来源:欧阳自远院士PPT

“嫦娥四号”选择在这里着陆,就是希望把最古老的东西挖出来,看看月球的历史有没有新的记录。

“嫦娥四号”没有让我们失望,登上了神秘的月球背面,这是人类首次实现月球背面软着陆和巡视勘察,也是人类首次在月球的高纬度极地着陆。

来源:欧阳自远院士PPT

为了让地球和月球之间能有信息和数据的传输,我们还在地球与月球之间架起了一座“鹊桥”——中继星“鹊桥”,运行于地月拉格朗日L2点,在地球与月球背面之间构成畅通的通信链路,这也是人类首次实现月背与地球的中继通信。

其实,星球就像人的一生,会经历诞生、婴儿期、青少年期、中老年期,也会老态龙钟,最终“死去”,即内部能量耗尽,失去活力。

太阳和地球也有“寿命”,据估算,目前太阳还有50亿年寿命,地球还有40亿年。很多人认为月球30亿年前就“死亡”了,但我们觉得,时间可能要更晚,30亿年前月球应该还有能量,但是我们没有证据。所以讨论“嫦娥五号”的时候,搞技术的同志说:“我们保证给你抓一把土回来。”我说:“你一定要落到最关键的地方,要在‘嫦娥四号’落地的地方。”

2020年11月24日4时30分,“嫦娥五号”探测器发射成功,它的任务之一就是要去月球上抓一把“特别的土”带回地球。最终,中国一共采回1730克样品。通过取样测算,我们发现月球最后一次活动是在20亿年前左右(约19.6亿年—20.21亿年前)。

我们的数据获得了认可,国际上认为中国立了大功,刷新了人类对月球历史的认知。我们做的点点滴滴,都是为人类认识月球做贡献。

嫦娥系列探测器共发射了五颗,每颗都很出色,每颗都完成了意义非凡的使命。

2030年,我们准备在完成不载人探测后,择机实施载人登月。预计到2036—2045年,有望建成综合型的月球基地,实现人类长期驻留。

来源:欧阳自远院士PPT

未来,在探月方面,我们理应做得比别人好。同时,我们也一定要踏踏实实,稳步实现我们的目标。

改造火星,需要几步

我们再来谈谈火星。

我们的地球面临着能源危机、全球变暖以及小天体撞击等潜在风险。一直以来,人类对于火星能否成为第二个地球抱有无限希冀。如何让火星也变成人类可以居住的星球,使人类可以持续生存发展,这是未来深空探测的重点。

那么,火星又该如何改造?

我们知道,火星现在没有人能居住。它的平均温度常年都是零下50 60摄氏度,太冷了!火星上没有水,只有冰,怎么把冰融化,成为摆在人类面前的第一个难题。而且火星上气压很低,人类在火星上得穿宇航服,住地下室,在密封的环境,不断获得氧气,不然根本无法生存。

马斯克非常积极,他说愿意做火星移民,更提出可以先移民100万人到火星上,建立一个火星基地,然后在火星上炸1万颗氢弹,把冰雪全部融化成水,以此来加速火星改造。

我们认为,这是个非常危险的提议。

迄今为止,人类共尝试探测火星51次,但成功的概率不到50%。2020年7月23日,“天问一号”由“长征5号”火箭在文昌发射场发射成功,天问一号将围绕火星是否存在过生命或具备生命存在的环境、火星演化和太阳系的起源与演化两大科学问题,开展研究活动。

从1998年到今天,全世界的科学家们召开了多次关于火星改造的国际会议。大家商量了很长时间,讨论出下面七个步骤,最终实现改造计划估计得半个世纪左右。

来源:欧阳自远院士PPT

首先,改造火星要提高火星表面的温度,增加大气浓度,我们主张可以在火星上建立工厂,大量排放二氧化碳,二氧化碳排放得多了,会使得火星变暖,让冰雪融化,赤道有水流动。

其次,引种地球上的一些低等植物覆盖到火星,建立火星的表面生态环境。环境生态建立成功后,就可以发展农牧业,解决粮食、食品的供给问题。

最后,建设工业设施和人类生活的基础设施,逐步实现火星旅游或火星移民。

我相信,通过人类的智慧和努力,火星完全能被改造成生机盎然的“小地球”,再现“青山绿水”,成为人类的“第二家园”。

向太阳系的星辰大海挺进

对于太阳系的探测,我认为有四个重要组成部分:月球探测是起点,火星探测是重点,小行星探测是热点,行星际之间的穿越探测则是亮点。

地球外围目前已经发现近2万颗小行星。小行星分成四类大轨道,有两类跟地球的轨道相交,这表明它们很有可能撞上地球,这对人类造成极大威胁,恐龙的灭绝已经被证明就是小行星撞击导致的。对行星的探测,将来可以为地球规避灾难,也是为全世界、全人类的共同利益行善举。

未来,行星际深空探测是科技竞争的制高点。我们一定要抓住这个机遇。目前,我们有了更详细的计划,未来将会去探索木星的80颗卫星、土星的83颗卫星,它们可能都存在生命。

近期,美国国家航空航天局(NASA)宣布:他们发现了一颗名为“K2-18b”的系外行星。这颗系外行星距离地球120光年,科学家在它的大气层中发现了一种“与生命独特相关”的气体——二甲基亚砜。这种气体的存在表明,这颗行星上可能存在着外星生命。此外,科学家们还发现K2-18b的大气层中还存在着大量的二氧化碳和甲烷,这些物质的存在表明它适宜居住,甚至可能已经有人居住。

虽然这一发现不能直接证明外星生命的存在,但它为寻找外星生命提供了重要的线索和依据。我们有理由相信,未来我们将会发现越来越多的外星生命的证据和线索,让我们对外星生命的认知更加深入。

曾经有一个记者问我:现在看到满天繁星,会想到什么?

我的回答是:银河系直径有10万光年,有1000亿个“太阳”。所以,我现在的视野不光是一个月亮,我看到的是整个银河系,在我眼里,满天繁星都是远远近近的太阳。让我们一步一步去探测太阳系,一起向太阳系的星辰大海挺进。

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以上内容根据欧阳自远院士的演讲内容整理,内容有删节。

编辑 | 菅伟伟

责编 | 岳顶军

一个和月球打了大半辈子交道的人

1952年,我们年轻的共和国刚刚成立不久,一穷二白、百废待兴。17岁的欧阳自远参加了全国第一次大学生统一考试,被录取到刚刚成立的北京地质学院。那一年,他决心“学地质,去找矿,为国家的工业化出力”。

凭借在大学四年里打下的地球科学的坚实基础,毕业后,他参加了全国第一次副博士研究生统一考试,后被录取到中国科学院地质研究所——研究铜矿与铁矿的成因与找矿方向。

1957年,苏联发射了第一颗人造地球卫星,拉开了人类空间时代的帷幕。

1958年,欧阳自远提交了研究生论文。此后,截至1992年的35年里,他专心致志地开展相关领域科学文献的调研,总结苏、美开展月球与行星探测的计划、进展、成果与失败教训的分析研究。他的研究方向从地球科学逐步拓展为以地球为基础的比较行星学、月球与行星科学,从地球化学扩展为天体化学等。

此外,他逐步在中国建设相关的研究实验室,培养陨石学与天体化学、月球与行星科学领域的研究生,一批批年轻的科技人才快速成长。他们现在已经成为我国天体化学、月球与行星科学、月球与太阳系天体开发利用前景的研究骨干!

从1993—2002年的10年里,国家要求他准备系统论证与答辩。他主持撰写的《中国开展月球探测的必要性与可行性研究论证报告》《中国月球探测的发展战略与长远规划研究报告》《中国首次月球探测的科学目标与有效载荷配置研究报告》,都得到专家组的一致赞同和全力支持。

2003年,国防科工委指定孙家栋和欧阳自远负责组织全国相关的科技专家,起草编写《中国首次月球探测的立项报告》,呈报国务院领导审查批准。2004年1月得到国务院领导批准立项。中国的月球探测工程进入实施阶段。

从1958年至今,欧阳自远从事深空探测工作已有65年。自2007年发射“嫦娥一号”以来,中国的无人月球探测阶段已经连续成功发射了嫦娥一、二、三、四、五号,实现了绕、落与回三个阶段的目标,取得了大量国际领先性科学探测成果。

“科技创新与科学普及同等重要,如车之双轮、鸟之双翼。”科学家有责任和义务向广大公众传播科学精神、科学思想、科学知识、科学方法与科学道德,提高全民科学素质,为建设一个伟大的社会主义强国和中华民族伟大复兴做出新贡献!

经过长时间的积累,2008—2018年的11年间,欧阳自远准备了14个不同主题的科普报告,考虑到公众知识基础的不同,每一个主题报告都准备了2~3种不同的版本。

自2008年以来,对于每一次现场科普报告,欧阳自远都记录了报告日期与时间、报告题目、组织听众的单位、参加人数等。经统计,截至2018年的11年里,欧阳自远一共进行过现场报告618次,平均每年现场报告56场;现场听科普报告的的总人数共383590人,每年平均现场听科普报告的人数32140人,同时,各地的现场报告还通过互联网广泛传播,观看人数呈几十倍增加。

除此之外,他还主编、撰写出版了有关月球、地球、火星、小行星与太阳系探测的科学专著11册,科普书籍24册。

如今88岁的欧阳院士还是一名B站UP主:做硬核知识主播,开设没有墙壁的教室,将毕生所学通过网络授以青少年,用日复一日的耐心播下知识的种子。


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中欧官网:中欧国际工商学院(CEIBS) | CEIBS

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页面更新:2024-05-17

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