為求「清靜」NASA要在月球背面安個望遠鏡

來源：科技日報

NASA

可展開的絲網 （直徑1千米） 月球環形山射電望遠鏡 環形山 （直徑3千米—5千米）懸浮接收器 雙軸車 月球環形山射電望遠鏡示意圖 NASA

設想一下，一臺比500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）接收面積大3倍的望遠鏡，放在月球，會是何種景象？

近日，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室的薩普塔實·班迪帕黑向NASA創新先進概念計劃（NIAC）提交了一個新方案——月球環形山射電望遠鏡項目，即在月球背面的環形山中建立一個直徑1公裡的射電望遠鏡。這一充滿奇思妙想的計劃立刻引發熱議。為何要在月球背面建立望遠鏡？為什麼選擇射電望遠鏡？這臺巨大的望遠鏡，能幫助人類探索宇宙的哪些奧秘？

地球信號給觀測帶來幹擾

根據觀測波段的不同，天文望遠鏡可分為射電、光學、紅外、紫外、X射線、伽馬射線等不同類型。按理說，這些不同類型的望遠鏡都可以放在月球上，為何在班迪帕黑的計劃中，首先考慮的是射電望遠鏡呢？

中國科學院上海天文臺研究員、天馬望遠鏡總工程師劉慶會告訴科技日報記者：「射電望遠鏡通過自身天線接收射電波，進而對天體實施觀測，如果把射電望遠鏡搬到月球上，它的觀測能力會比在地球時提升很多。」

這是因為，在地球上，射電望遠鏡的觀測存在不少幹擾因素。

首先，地表上空有電離層。太陽照射大氣時會發生電離作用，當信號的波長比較長的時候，電離層就會把信號擋住。「以FAST為例，它位於地球大氣和電離層內，波長頻率低於70兆赫（MHz）的信號，觀測效果就會大打折扣。」劉慶會說。

其次，地球上的人造信號太多，也會對射電望遠鏡造成幹擾。「手機通信、雷達、衛星等發出的人造信號比來自宇宙的信號要強幾百萬倍，對地面射電望遠鏡的觀測環境有著很大的影響。」劉慶會表示。

相較之下，其他波段的望遠鏡尚能「歲月靜好」。比如，光學望遠鏡比較怕亮光，但如果「落戶」於人煙稀少、天光背景較暗的地區，就可以減少人為光源的幹擾。

另外，望遠鏡的「個頭」也是一個不得不考慮的因素。其他波段的望遠鏡所觀測的波長較短，口徑不像射電望遠鏡那麼大，因而更加小巧精緻，所以這些望遠鏡如果想要有更好的觀測效果，可以直接送到太空。比如位於太空的哈勃空間望遠鏡就能獲得比地表光學望遠鏡更加清晰的觀測圖景。「如果把哈勃空間望遠鏡放在月球，雖然能獲得更好的觀測效果，但一是沒必要，二是在月球上的軟著陸問題難以解決。」劉慶會說。

除此之外，射電望遠鏡的觀測波段可以從米級到亞毫米級，沒有光學、紅外等望遠鏡那麼精密。相對來說，在月球上造一個射電望遠鏡比造一個光學望遠鏡更容易。

月球是天然的物理屏障

那為何會選擇月球背面而不是其他區域呢？

因為月球是一道天然的物理屏障，來自地球以及繞地衛星的無線電幹擾都能被屏蔽掉。「這樣一來，望遠鏡捕捉到的就是觀測目標發出的信號，更有利於天文學家們捕捉那些微弱的信號，加深對宇宙的理解。」劉慶會解釋道。

實際上，在地球上，面對無線電幹擾，科學家們也採取了一些補救措施，其中最主要的就是「躲」。一是儘量把望遠鏡安裝在人跡罕至的地方，減少無線電幹擾。二是儘量讓望遠鏡觀測的波長避開手機、雷達、衛星等無線電信號的波長。「通俗來講，如果手機的信號佔用了某一段波段，望遠鏡觀測就會相應的避開這一波段的天體信號。通過『惹不起躲得起』這一舉措，儘量減少了人造無線電對於射電望遠鏡觀測效果造成的影響。」劉慶會說。

但有所得也意味著有所失。望遠鏡接收到的信號不同，所獲取的有關宇宙的信息也不同。以觀測太陽黑子為例，當科學家用光學望遠鏡對其進行觀測時，會發現黑子很暗，但是用射電望遠鏡去看黑子，就會發現黑子的電磁場輻射比太陽其他區域更強。

所以，天文學家希望對同一觀測目標實現全波段觀測，能用射電、光學、紫外、X射線、伽馬射線等不同波段的望遠鏡對同一目標進行一次全方位「掃描」，這樣自然最好。因為不同的望遠鏡會看到不同的光景，這樣才能對所觀測的目標有更深入更全面的了解。楊桃的形狀是橢圓還是五角星？取決於不同的觀測角度。

一臺射電望遠鏡所觀測的信號與手機、衛星等信號重合，觀測效果會很差；倘若避開這些幹擾源所使用的波段，的確能達到減少幹擾的目的，但同時也意味著射電望遠鏡的觀測存在死角，無法覆蓋某些波段的信號，那麼，來自宇宙的某些信號就無法被捕捉。

這對於天文學家來說是一種缺憾，也在天文觀測領域留下了些許空白。

捕捉宇宙古老的信號

讓射電望遠鏡登月，不失為填補空白的一種構想。

根據班迪帕黑提交的計劃，要在月球上建造的是直徑1公裡的射電望遠鏡，與直徑500米的FAST相比，這款超長波射電望遠鏡的直徑要大上一倍，天線接受面積增大3倍，因而可以觀察波長大於10米、頻率低於30MHz的宇宙輻射。

「這個波長對應宇宙早期的黑暗時代，是宇宙剛剛開始的樣子，那時的宇宙信號距離我們很遙遠，傳遞到地球的時候，已經相當微弱，加上地球上的無線電幹擾，探索這一時期宇宙的物理性質成為難題。」劉慶會說，由於這種超長波會被地球電離層反射，因此在地球上無法觀測，對這個波長的宇宙信號人類所知甚少。

專家表示，由於這款望遠鏡的直徑更大，加上它能擺脫地球的各種幹擾，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地方傳來的微弱信號。

不過，理想很豐滿，現實很骨感。從原理上來說，天文望遠鏡要看得深看得遠又看得清，直徑越大越好，幹擾越少越好。但在實際過程中，受工程難度大和成本高等方面的限制，理想下的望遠鏡配置往往並不能真的如願。

劉慶會坦言，在月球背面建造直徑為1公裡的射電望遠鏡，「要面臨的困難不敢想」。

此次提案描述了如何建立這個望遠鏡系統。在月背找到直徑3至5公裡的適宜月球隕石坑，用太空飛行器將望遠鏡和安裝設備雙軸車運至月球。望遠鏡和雙軸車分別在指定位置著陸後，經過展開、連接、固定等一系列步驟，完成望遠鏡安裝。

由於在地球上看不到月球背面，只能通過中繼星進行遠程操控。「選擇什麼樣的環形山？建造望遠鏡的材料如何軟著陸？著陸後望遠鏡如何展開？建造和維護望遠鏡需要的持續供電怎麼保證？這些都是問題。」劉慶會說，根據現有的條件，只能在月背建造一個粗糙的、精度較低、觀測波長很長的望遠鏡。

「但是，正如美國前總統約翰·甘迺迪所言：我們選擇去月球,不是因為它很容易,而是因為它很難。」劉慶會說，奇思妙想滿足人類的好奇心，並最終推動人類一步步往前。