NASA要在月球背面安個(gè)望遠(yuǎn)鏡 捕捉宇宙古老的信號(hào)

設(shè)想一下，一臺(tái)比500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)接收面積大3倍的望遠(yuǎn)鏡，放在月球，會(huì)是何種景象?

近日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的薩普塔實(shí)·班迪帕黑向NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃(NIAC)提交了一個(gè)新方案——月球環(huán)形山射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，即在月球背面的環(huán)形山中建立一個(gè)直徑1公里的射電望遠(yuǎn)鏡。這一充滿奇思妙想的計(jì)劃立刻引發(fā)熱議。為何要在月球背面建立望遠(yuǎn)鏡?為什么選擇射電望遠(yuǎn)鏡?這臺(tái)巨大的望遠(yuǎn)鏡，能幫助人類(lèi)探索宇宙的哪些奧秘?

地球信號(hào)給觀測(cè)帶來(lái)干擾

根據(jù)觀測(cè)波段的不同，天文望遠(yuǎn)鏡可分為射電、光學(xué)、紅外、紫外、X射線、伽馬射線等不同類(lèi)型。按理說(shuō)，這些不同類(lèi)型的望遠(yuǎn)鏡都可以放在月球上，為何在班迪帕黑的計(jì)劃中，首先考慮的是射電望遠(yuǎn)鏡呢?

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員、天馬望遠(yuǎn)鏡總工程師劉慶會(huì)告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)自身天線接收射電波，進(jìn)而對(duì)天體實(shí)施觀測(cè)，如果把射電望遠(yuǎn)鏡搬到月球上，它的觀測(cè)能力會(huì)比在地球時(shí)提升很多。”

這是因?yàn)?，在地球上，射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)存在不少干擾因素。

首先，地表上空有電離層。太陽(yáng)照射大氣時(shí)會(huì)發(fā)生電離作用，當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的時(shí)候，電離層就會(huì)把信號(hào)擋住。“以FAST為例，它位于地球大氣和電離層內(nèi)，波長(zhǎng)頻率低于70兆赫(MHz)的信號(hào)，觀測(cè)效果就會(huì)大打折扣。”劉慶會(huì)說(shuō)。

其次，地球上的人造信號(hào)太多，也會(huì)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡造成干擾。“手機(jī)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星等發(fā)出的人造信號(hào)比來(lái)自宇宙的信號(hào)要強(qiáng)幾百萬(wàn)倍，對(duì)地面射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)環(huán)境有著很大的影響。”劉慶會(huì)表示。

相較之下，其他波段的望遠(yuǎn)鏡尚能“歲月靜好”。比如，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡比較怕亮光，但如果“落戶(hù)”于人煙稀少、天光背景較暗的地區(qū)，就可以減少人為光源的干擾。

另外，望遠(yuǎn)鏡的“個(gè)頭”也是一個(gè)不得不考慮的因素。其他波段的望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)的波長(zhǎng)較短，口徑不像射電望遠(yuǎn)鏡那么大，因而更加小巧精致，所以這些望遠(yuǎn)鏡如果想要有更好的觀測(cè)效果，可以直接送到太空。比如位于太空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就能獲得比地表光學(xué)望遠(yuǎn)鏡更加清晰的觀測(cè)圖景。“如果把哈勃空間望遠(yuǎn)鏡放在月球，雖然能獲得更好的觀測(cè)效果，但一是沒(méi)必要，二是在月球上的軟著陸問(wèn)題難以解決。”劉慶會(huì)說(shuō)。

除此之外，射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段可以從米級(jí)到亞毫米級(jí)，沒(méi)有光學(xué)、紅外等望遠(yuǎn)鏡那么精密。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在月球上造一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡比造一個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡更容易。

月球是天然的物理屏障

那為何會(huì)選擇月球背面而不是其他區(qū)域呢?

因?yàn)樵虑蚴且坏捞烊坏奈锢砥琳?，?lái)自地球以及繞地衛(wèi)星的無(wú)線電干擾都能被屏蔽掉。“這樣一來(lái)，望遠(yuǎn)鏡捕捉到的就是觀測(cè)目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)，更有利于天文學(xué)家們捕捉那些微弱的信號(hào)，加深對(duì)宇宙的理解。”劉慶會(huì)解釋道。

實(shí)際上，在地球上，面對(duì)無(wú)線電干擾，科學(xué)家們也采取了一些補(bǔ)救措施，其中最主要的就是“躲”。一是盡量把望遠(yuǎn)鏡安裝在人跡罕至的地方，減少無(wú)線電干擾。二是盡量讓望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的波長(zhǎng)避開(kāi)手機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星等無(wú)線電信號(hào)的波長(zhǎng)。“通俗來(lái)講，如果手機(jī)的信號(hào)占用了某一段波段，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)就會(huì)相應(yīng)的避開(kāi)這一波段的天體信號(hào)。通過(guò)‘惹不起躲得起’這一舉措，盡量減少了人造無(wú)線電對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)效果造成的影響。”劉慶會(huì)說(shuō)。

但有所得也意味著有所失。望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)不同，所獲取的有關(guān)宇宙的信息也不同。以觀測(cè)太陽(yáng)黑子為例，當(dāng)科學(xué)家用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)黑子很暗，但是用射電望遠(yuǎn)鏡去看黑子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)黑子的電磁場(chǎng)輻射比太陽(yáng)其他區(qū)域更強(qiáng)。

所以，天文學(xué)家希望對(duì)同一觀測(cè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全波段觀測(cè)，能用射電、光學(xué)、紫外、X射線、伽馬射線等不同波段的望遠(yuǎn)鏡對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行一次全方位“掃描”，這樣自然最好。因?yàn)椴煌耐h(yuǎn)鏡會(huì)看到不同的光景，這樣才能對(duì)所觀測(cè)的目標(biāo)有更深入更全面的了解。楊桃的形狀是橢圓還是五角星?取決于不同的觀測(cè)角度。

一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)的信號(hào)與手機(jī)、衛(wèi)星等信號(hào)重合，觀測(cè)效果會(huì)很差;倘若避開(kāi)這些干擾源所使用的波段，的確能達(dá)到減少干擾的目的，但同時(shí)也意味著射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)存在死角，無(wú)法覆蓋某些波段的信號(hào)，那么，來(lái)自宇宙的某些信號(hào)就無(wú)法被捕捉。

這對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是一種缺憾，也在天文觀測(cè)領(lǐng)域留下了些許空白。

捕捉宇宙古老的信號(hào)

讓射電望遠(yuǎn)鏡登月，不失為填補(bǔ)空白的一種構(gòu)想。

根據(jù)班迪帕黑提交的計(jì)劃，要在月球上建造的是直徑1公里的射電望遠(yuǎn)鏡，與直徑500米的FAST相比，這款超長(zhǎng)波射電望遠(yuǎn)鏡的直徑要大上一倍，天線接受面積增大3倍，因而可以觀察波長(zhǎng)大于10米、頻率低于30MHz的宇宙輻射。

“這個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)宇宙早期的黑暗時(shí)代，是宇宙剛剛開(kāi)始的樣子，那時(shí)的宇宙信號(hào)距離我們很遙遠(yuǎn)，傳遞到地球的時(shí)候，已經(jīng)相當(dāng)微弱，加上地球上的無(wú)線電干擾，探索這一時(shí)期宇宙的物理性質(zhì)成為難題。”劉慶會(huì)說(shuō)，由于這種超長(zhǎng)波會(huì)被地球電離層反射，因此在地球上無(wú)法觀測(cè)，對(duì)這個(gè)波長(zhǎng)的宇宙信號(hào)人類(lèi)所知甚少。

專(zhuān)家表示，由于這款望遠(yuǎn)鏡的直徑更大，加上它能擺脫地球的各種干擾，所以與FAST相比，其靈敏度有可能大幅提高。靈敏度越高，越有能力捕捉從遙遠(yuǎn)地方傳來(lái)的微弱信號(hào)。

不過(guò)，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。從原理上來(lái)說(shuō)，天文望遠(yuǎn)鏡要看得深看得遠(yuǎn)又看得清，直徑越大越好，干擾越少越好。但在實(shí)際過(guò)程中，受工程難度大和成本高等方面的限制，理想下的望遠(yuǎn)鏡配置往往并不能真的如愿。

劉慶會(huì)坦言，在月球背面建造直徑為1公里的射電望遠(yuǎn)鏡，“要面臨的困難不敢想”。

此次提案描述了如何建立這個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。在月背找到直徑3至5公里的適宜月球隕石坑，用航天器將望遠(yuǎn)鏡和安裝設(shè)備雙軸車(chē)運(yùn)至月球。望遠(yuǎn)鏡和雙軸車(chē)分別在指定位置著陸后，經(jīng)過(guò)展開(kāi)、連接、固定等一系列步驟，完成望遠(yuǎn)鏡安裝。

由于在地球上看不到月球背面，只能通過(guò)中繼星進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。“選擇什么樣的環(huán)形山?建造望遠(yuǎn)鏡的材料如何軟著陸?著陸后望遠(yuǎn)鏡如何展開(kāi)?建造和維護(hù)望遠(yuǎn)鏡需要的持續(xù)供電怎么保證?這些都是問(wèn)題。”劉慶會(huì)說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)有的條件，只能在月背建造一個(gè)粗糙的、精度較低、觀測(cè)波長(zhǎng)很長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡。

“但是，正如美國(guó)前總統(tǒng)約翰·肯尼迪所言：我們選擇去月球,不是因?yàn)樗苋菀?而是因?yàn)樗茈y。”劉慶會(huì)說(shuō)，奇思妙想滿足人類(lèi)的好奇心，并最終推動(dòng)人類(lèi)一步步往前。(實(shí)習(xí)記者 代小佩)

關(guān)鍵詞： NASA 望遠(yuǎn)鏡