月球：科研的“風(fēng)水寶地”

李忠東

引力波是大質(zhì)量天體對(duì)周圍時(shí)空擾動(dòng)導(dǎo)致的時(shí)空漣漪，就像在平靜的水里丟下一塊石頭，會(huì)激起層層漣漪向四周擴(kuò)散。它是愛因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”，直到2015年，人類才首次探測(cè)到它的存在。2017年10月16日，全球多國(guó)科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布人類第一次直接探測(cè)到來自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”這一壯觀的宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。那是在美國(guó)東部時(shí)間同年8月17日8時(shí)41分（北京時(shí)間20時(shí)41分），美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）和歐洲“處女座”（Virgo）引力波探測(cè)器捕捉到了這個(gè)引力波信號(hào)。此后2秒，美國(guó)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到同一來源發(fā)出的伽馬射線暴。這是人類歷史上第一次使用引力波天文臺(tái)和電磁波望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到同一個(gè)天體物理事件，標(biāo)志著以多種觀測(cè)方式為特點(diǎn)的多信使天文學(xué)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

擬議中的“宇宙學(xué)引力波月球觀測(cè)站”（GLOC）布局

在此之前，LIGO引力波探測(cè)器于2015年9月和12月，以及2017年1月先后3次單獨(dú)探測(cè)到引力波，它均由雙黑洞合并產(chǎn)生。高頻引力波可能是由合并前的原始黑洞之一發(fā)出的。而這些原始黑洞還沒有被最終證明是存在的。據(jù)推測(cè)，原始黑洞是在宇宙大爆炸的幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生的，并可能成為星系中心的超大質(zhì)量黑洞的“種子”。之后科學(xué)家又進(jìn)行了幾十次探測(cè)，大部分是由LIGO這樣的設(shè)施進(jìn)行的，它可以探測(cè)到頻率在30到7000赫茲之間的引力波。

引力波經(jīng)常會(huì)被地震、交通和其他人類活動(dòng)產(chǎn)生的背景波所淹沒，因而探測(cè)起來十分棘手。為了探測(cè)到微弱的引力波，我們必須使用極為靈敏的干涉儀。然而，干涉儀越靈敏，就越容易被干擾。為此，我們必須給引力波探測(cè)器安排真空的環(huán)境，防止空氣分子的干擾。即便如此，它也會(huì)受到地震的干擾。而且由于干涉儀靈敏度驚人，即使科學(xué)家感受不到的小地震，也會(huì)導(dǎo)致他們誤以為接收到了引力波信號(hào)。通過研究月球上的自然條件，科學(xué)家認(rèn)為，最具挑戰(zhàn)性的引力波頻譜可以在月球表面更好地進(jìn)行探測(cè)，這在地球上或太空中幾乎是不可能完成的。

月球表面具有一些在地球上很難復(fù)制的優(yōu)勢(shì)特性。首先，目前月球上尚無人類活動(dòng)，即使未來載人任務(wù)增加，仍然有足夠的空間來建立一個(gè)遠(yuǎn)離喧囂的地方。其次，月震要比地震弱得多，頻率也低得多。最后，月球處于一個(gè)高度真空的環(huán)境，這意味著探測(cè)裝置不需要像地球上那樣放在真空管中。即使是位于地下深處的LIGO和Virgo引力波探測(cè)器，其真空環(huán)境都遠(yuǎn)不如月球表面的純凈，仍容易受到周圍環(huán)境的噪音和振動(dòng)的影響。這些因素意味著在月球表面建立的引力波基礎(chǔ)設(shè)施，可能比任何地球上的探測(cè)器都要靈敏得多，能探測(cè)到地球上的設(shè)施幾乎無法探測(cè)到的頻率范圍。

為此，美國(guó)范德堡大學(xué)天體物理學(xué)家卡蘭·賈尼和哈佛大學(xué)科學(xué)教授阿維·勒伯領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，首次提出了在月球表面這個(gè)更安靜的新地點(diǎn)建立引力波基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)想。它被稱為“宇宙學(xué)引力波月球觀測(cè)站”（GLOC），旨在利用月球的環(huán)境和月心軌道來分析整個(gè)宇宙可觀測(cè)體積的近70%內(nèi)的黑洞、中子星和暗物質(zhì)候選體的合并。這個(gè)引力波探測(cè)器可以捕捉0.1～5赫茲的引力波，能探測(cè)黑洞和中子星合并事件，尋找暗物質(zhì)候選體。月球表面能夠探測(cè)到的引力波頻率下限至少比地表探測(cè)器小2個(gè)數(shù)量級(jí)。

2020年4月7日，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提交了一個(gè)富有科技感和未來感的新計(jì)劃，他們打算在月球背面的環(huán)形山中建立一個(gè)直徑為1千米的“月球環(huán)形山射電望遠(yuǎn)鏡”（LCRT），將利用月球表面的環(huán)形山作為自然的射電拋物面天線來放大信號(hào)?？茖W(xué)家構(gòu)想的出發(fā)點(diǎn)，是充分利用月背位置的巨大優(yōu)勢(shì)，收集地球上因干擾而無法收到的信號(hào)。這些信號(hào)存在于無線電頻譜的超長(zhǎng)波長(zhǎng)中，人類在地球上探索宇宙時(shí)基本上無法觀測(cè)到。

LCRT可以完全避免來自地球的無線電干擾，并且在月背入夜之后還可以屏蔽來自太陽的無線電干擾，使望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果達(dá)到最佳。除此之外，因?yàn)樵虑虻囊χ挥械厍虻牧种唬酝耆梢园袻CRT建設(shè)成一個(gè)口徑很大的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡。

在地球上，存在不少干擾射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的因素。一是地表上空存在電離層，當(dāng)信號(hào)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，電離層就會(huì)把信號(hào)遮擋住。二是地球上手機(jī)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星等發(fā)出的人造信號(hào)太多，且比來自宇宙的信號(hào)要強(qiáng)幾百萬倍，對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)造成干擾。倘若避開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)也意味著望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)存在死角，無法覆蓋某些波段的信號(hào)，致使來自宇宙的某些信號(hào)無法被捕捉。

相較而言，LCRT能在沒有大氣的月背發(fā)現(xiàn)微弱的信號(hào)，為超長(zhǎng)波的研究提供便利。超長(zhǎng)波的波長(zhǎng)在10至50米頻段內(nèi)。這個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)宇宙早期的黑暗時(shí)代，是宇宙誕生之初的樣子。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。要想對(duì)超長(zhǎng)波頻段進(jìn)行科學(xué)探索，只能寄希望于空曠的太空或者寧靜的月球背面。

根據(jù)美國(guó)宇航局的設(shè)想，LCRT建成以后的直徑比500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）要長(zhǎng)一倍，天線接受面積增大3倍，可以觀測(cè)到早期宇宙輻射。它將幫助科學(xué)家更進(jìn)一步地揭示銀河系和星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)、宇宙射線的加速和傳播，了解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成，探索宇宙的起源。

多年來，研究人員一直在尋找外星信號(hào)，而在月背建設(shè)的LCRT有助于擴(kuò)大尋找范圍，發(fā)現(xiàn)那些被地球干擾而埋沒的信號(hào)。LCRT可以監(jiān)聽到來自宇宙深處的信息，而不用擔(dān)心與周邊電磁環(huán)境相混淆，也就不會(huì)出現(xiàn)把微波爐信號(hào)當(dāng)成是宇宙信號(hào)這樣令人惋惜的謬誤了。如果宇宙中真的存在外星文明，并且外星人也會(huì)發(fā)送無線電波的話，那么LCRT就很可能會(huì)接收到外星信號(hào)。有人認(rèn)為，如果未來真的在月球上成功安裝了LCRT，那么將會(huì)成為人類尋找外星文明的里程碑式事件。

物理學(xué)家夢(mèng)想著在月球上建立一個(gè)『月球粒子對(duì)撞機(jī)』

為了揭示最微小的亞原子粒子的奧秘，物理學(xué)家必須使粒子加速器和探測(cè)器的溫度盡可能低，并去除多余空氣，才能獲得可靠的結(jié)果。有物理學(xué)家提出，月球?qū)嶋H上是一個(gè)很適合進(jìn)行高能物理研究的場(chǎng)所，并提出建造“月球粒子對(duì)撞機(jī)”的設(shè)想。

這是因?yàn)樵虑虮砻娴臏囟确浅５停也淮嬖诖髿?，沒有介質(zhì)把陽光的熱量從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方。月夜，當(dāng)太陽落到月球地平線以下時(shí)，溫度會(huì)降到-73℃，正好在地球上典型的低溫實(shí)驗(yàn)設(shè)置范圍內(nèi)。月晝，月球溫度會(huì)升高一些，達(dá)到38℃以上，但在沒有陽光直射的地方仍是寒冷的。如月球隕石坑的陰影中就隱藏著水冰。在粒子加速器中，超導(dǎo)磁體的作用在于將粒子拋入加速器，使其達(dá)到接近光速的速度，低溫確保了超導(dǎo)磁體不會(huì)自行熔化。而探測(cè)器的溫度越高，從亞原子粒子中篩選出微小信號(hào)時(shí)所要處理的噪音就越大，因?yàn)楦嗟臒崃肯喈?dāng)于更多的分子振動(dòng)，也就等于更多的噪音。

除了溫度低，月球不存在大氣層也是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。在地球上，物理學(xué)家必須把粒子加速器和探測(cè)器里的空氣全部抽出來。月球的真空環(huán)境比物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制造的任何真空條件都要好10倍以上，而且是純天然的，無須付出任何努力。