飛到月球背面建望遠(yuǎn)鏡

低頻射電波段的觀測是揭開宇宙起源的關(guān)鍵，而地球的電離層干擾、人類活動噪聲和地理位置限制，讓觀測這一波段變得困難。于是，科學(xué)家們將目光投向了月球背面，那里或許藏著解開宇宙奧秘的“鑰匙”。

低頻射電望遠(yuǎn)鏡：解鎖宇宙起源的關(guān)鍵

射電望遠(yuǎn)鏡是一種專門用于接收和分析來自宇宙的射電波（無線電波）的天文觀測設(shè)備。它通過捕捉天體發(fā)出的射電波信號，幫助科學(xué)家研究宇宙的結(jié)構(gòu)、演化以及各種天體的物理性質(zhì)。而低頻射電望遠(yuǎn)鏡是專門用于觀測低頻射電波（頻率在幾十兆赫到幾百兆赫之間）的射電望遠(yuǎn)鏡。

當(dāng)前天文學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙起源于一個質(zhì)量無窮大、溫度無窮高、體積無限小的奇點(diǎn)（大爆炸宇宙論所追溯的宇宙演化的起點(diǎn)）的爆炸，此后誕生了時間、空間以及基本粒子物質(zhì)。在宇宙膨脹早期，天體尚未形成，宇宙處于簡單粒子的“一鍋湯”狀態(tài)，只有特定粒子產(chǎn)生的低頻射電電磁波，其他波段的電磁波均不可見，因此被稱為“宇宙黑暗時期”。此后，宇宙第一批恒星、星系以及大尺度結(jié)構(gòu)開始形成，各種波段的信號逐漸顯現(xiàn)，低頻射電信號更加豐富，此時的宇宙被稱為“黎明時期”。

然而，這只是當(dāng)前宇宙學(xué)的理論模型，宇宙是否真的從大爆炸到“宇宙黑暗時期”“黎明時期”逐漸演化到當(dāng)前狀態(tài)，需要科學(xué)家從觀測上去證實(shí)。低頻射電波段的觀測是驗(yàn)證宇宙起源理論的最重要方式。

科學(xué)家已經(jīng)在地球上建造了大量的射電望遠(yuǎn)鏡，我們?yōu)槭裁催€要飛到月球背面去建造低頻射電望遠(yuǎn)鏡呢？

地球“禁錮”

地球大氣的影響

地球大氣層的高處（大于50千米）有一層電離層，是由宇宙高能射線和太陽高能輻射轟擊大氣形成的。電離層對低頻射電波（小于約100兆赫）有顯著的“攔截”作用，這也是無線電通信信號能在大氣層反射傳播的原因。宇宙早期信號也會因電離層被反射或折射，尤其在太陽活動爆發(fā)時，這種效應(yīng)更明顯，嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡接收宇宙早期信號。

人類活動的干擾

人類的無線電交流信號頻段與宇宙早期信號頻段接近或重疊，通信信號經(jīng)過大氣反射后，會被望遠(yuǎn)鏡接收，污染數(shù)據(jù)。此外，人造信號強(qiáng)度遠(yuǎn)高于宇宙早期信號，會覆蓋宇宙信號。人類生產(chǎn)活動和電子用品，例如電視機(jī)、微波爐、變電站等，也會產(chǎn)生強(qiáng)干擾，影響天文觀測。隨著科技發(fā)展，地球上的人造干擾越來越多、越來越強(qiáng)。

地理位置的約束

望遠(yuǎn)鏡能分辨的最小結(jié)構(gòu)與接收電磁波的幾何尺寸成正比。地球重力限制了單個望遠(yuǎn)鏡的最大極限，而陣列望遠(yuǎn)鏡建設(shè)對地理位置要求嚴(yán)格，需要大面積平原地帶、良好的交通電路網(wǎng)絡(luò)和大氣抖動誤差校正。地球的地理環(huán)境對望遠(yuǎn)鏡的大小和分布有極大約束。

地球及人類活動對宇宙早期的天文觀測帶來了不可忽視且難以克服的影響。因此，科學(xué)家將目光投向了地球之外的觀測“理想國”——月球背面！

月之暗面

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，被地球潮汐鎖定，一面永遠(yuǎn)朝向地球，另一面永遠(yuǎn)朝向外太空，背面因此適合建造望遠(yuǎn)鏡。月球背面朝向外太空，遭受的隕石撞擊更多，表面更加“坑坑洼洼”。月之暗面建造望遠(yuǎn)鏡有哪些天然優(yōu)勢呢？

低引力

月球引力只有地球的1/6，理論上能支持更大的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——“中國天眼”，直徑500米，有效口徑300米；而月球理論上能支持最高口徑約10千米的望遠(yuǎn)鏡。從理論上估算，月球上建造的望遠(yuǎn)鏡靈敏度將至少提高400倍。

此外，月球上到處都是天然的圓形隕石坑，非常適合鋪設(shè)大口徑的望遠(yuǎn)鏡反射面板。由于引力低且無地質(zhì)活動，月球表面相對平整，適合鋪設(shè)大面積的望遠(yuǎn)鏡干涉陣列。

零大氣

月球沒有大氣層（包括電離層），表面是近真空狀態(tài)。這意味著月球?qū)λ须姶挪l段都是全透明的，沒有任何吸收、散射或折射。地球電離層會對低頻信號進(jìn)行吸收散射，導(dǎo)致信號混疊，而月球表面完全規(guī)避了這一不利因素。

零干擾

月之暗面背離地球，繞月衛(wèi)星極少，因此完全屏蔽了各種人造射電干擾。這不僅保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，還排除了未知信號帶來的誤判。

超低溫

宇宙真空溫度在零下273攝氏度左右，而地球大部分溫度一般在零上，晝夜溫差通常只有十多度，這是因?yàn)榈厍虼髿獾拇嬖?。然而，這種機(jī)制不利于望遠(yuǎn)鏡觀測。由于天體信號通常很弱，電子儀器在將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時，如果溫度過高，電信號會夾雜很多電子運(yùn)動帶來的漲落（熱噪聲）。

月球表面溫度在沒有太陽照射時約為零下170攝氏度，接近液氮溫度，這意味著月球表面建造望遠(yuǎn)鏡的制冷成本極低，尤其是大型干涉陣列。地球表面的干涉陣列很難實(shí)現(xiàn)對每個望遠(yuǎn)鏡單元進(jìn)行低溫制冷，而月球表面則實(shí)現(xiàn)了干涉陣列的零成本制冷。

“暗面”的“曙光”

我國科學(xué)家提出，在月球背面建造一個巨型望遠(yuǎn)鏡陣列的設(shè)想，被稱為“月基平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡”。該陣列工作頻段可覆蓋1～100兆赫波段，包含約7200個望遠(yuǎn)鏡單元，采用圓環(huán)形陣列布局，分布范圍達(dá)30千米以上。

月之暗面望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及科學(xué)設(shè)備、火箭運(yùn)載、衛(wèi)星通信、人工智能建造、人工智能觀測以及人工智能數(shù)據(jù)處理等多領(lǐng)域?qū)W科融合。每一個階段都是高成本的建設(shè)，每一個環(huán)節(jié)都是高精尖科技的突破。例如，月表晝夜溫差問題、維護(hù)問題、太陽及高能粒子對電子元件的損傷問題，以及月基時間、空間坐標(biāo)的建立問題等。

月之暗面的射電望遠(yuǎn)鏡探測在未來將是人類認(rèn)識宇宙的希望之曙光，其科學(xué)探索將牽引并推動多領(lǐng)域科技發(fā)展創(chuàng)新，具有極高的科學(xué)研究意義與社會經(jīng)濟(jì)效益，同時也能進(jìn)一步提高我國的科學(xué)軟實(shí)力和航天尖端科技影響力，值得我們投入更多的關(guān)注?！鞍得妗钡摹笆锕狻奔磳⒌絹?，諸多挑戰(zhàn)也會不斷涌現(xiàn)，期待科學(xué)家在未來勇敢面對、不斷前行。

（責(zé)任編輯 / 高琳" 美術(shù)編輯 / 周游）