为求“清静”，NASA要在月球背面安个望远镜

2020-05-10

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设想一下，一台比500米口径球面射电望远镜（FAST）接收面积大3倍的望远镜，放在月球，会是何种景象？

近日，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室的萨普塔实·班迪帕黑向NASA创新先进概念计划（NIAC）提交了一个新方案——月球环形山射电望远镜项目，即在月球背面的环形山中建立一个直径1公里的射电望远镜。这一充满奇思妙想的计划立刻引发热议。为何要在月球背面建立望远镜？为什么选择射电望远镜？这台巨大的望远镜，能帮助人类探索宇宙的哪些奥秘？

地球信号给观测带来干扰

根据观测波段的不同，天文望远镜可分为射电、光学、红外、紫外、X射线、伽马射线等不同类型。按理说，这些不同类型的望远镜都可以放在月球上，为何在班迪帕黑的计划中，首先考虑的是射电望远镜呢？

中国科学院上海天文台研究员、天马望远镜总工程师刘庆会告诉科技日报记者：“射电望远镜通过自身天线接收射电波，进而对天体实施观测，如果把射电望远镜搬到月球上，它的观测能力会比在地球时提升很多。”

这是因为，在地球上，射电望远镜的观测存在不少干扰因素。

首先，地表上空有电离层。太阳照射大气时会发生电离作用，当信号的波长比较长的时候，电离层就会把信号挡住。“以FAST为例，它位于地球大气和电离层内，波长频率低于70兆赫（MHz）的信号，观测效果就会大打折扣。”刘庆会说。

其次，地球上的人造信号太多，也会对射电望远镜造成干扰。“手机通信、雷达、卫星等发出的人造信号比来自宇宙的信号要强几百万倍，对地面射电望远镜的观测环境有着很大的影响。”刘庆会表示。

相较之下，其他波段的望远镜尚能“岁月静好”。比如，光学望远镜比较怕亮光，但如果“落户”于人烟稀少、天光背景较暗的地区，就可以减少人为光源的干扰。

另外，望远镜的“个头”也是一个不得不考虑的因素。其他波段的望远镜所观测的波长较短，口径不像射电望远镜那么大，因而更加小巧精致，所以这些望远镜如果想要有更好的观测效果，可以直接送到太空。比如位于太空的哈勃空间望远镜就能获得比地表光学望远镜更加清晰的观测图景。“如果把哈勃空间望远镜放在月球，虽然能获得更好的观测效果，但一是没必要，二是在月球上的软着陆问题难以解决。”刘庆会说。

除此之外，射电望远镜的观测波段可以从米级到亚毫米级，没有光学、红外等望远镜那么精密。相对来说，在月球上造一个射电望远镜比造一个光学望远镜更容易。

月球是天然的物理屏障

那为何会选择月球背面而不是其他区域呢？

因为月球是一道天然的物理屏障，来自地球以及绕地卫星的无线电干扰都能被屏蔽掉。“这样一来，望远镜捕捉到的就是观测目标发出的信号，更有利于天文学家们捕捉那些微弱的信号，加深对宇宙的理解。”刘庆会解释道。

实际上，在地球上，面对无线电干扰，科学家们也采取了一些补救措施，其中最主要的就是“躲”。一是尽量把望远镜安装在人迹罕至的地方，减少无线电干扰。二是尽量让望远镜观测的波长避开手机、雷达、卫星等无线电信号的波长。“通俗来讲，如果手机的信号占用了某一段波段，望远镜观测就会相应的避开这一波段的天体信号。通过‘惹不起躲得起’这一举措，尽量减少了人造无线电对于射电望远镜观测效果造成的影响。”刘庆会说。

但有所得也意味着有所失。望远镜接收到的信号不同，所获取的有关宇宙的信息也不同。以观测太阳黑子为例，当科学家用光学望远镜对其进行观测时，会发现黑子很暗，但是用射电望远镜去看黑子，就会发现黑子的电磁场辐射比太阳其他区域更强。

所以，天文学家希望对同一观测目标实现全波段观测，能用射电、光学、紫外、X射线、伽马射线等不同波段的望远镜对同一目标进行一次全方位“扫描”，这样自然最好。因为不同的望远镜会看到不同的光景，这样才能对所观测的目标有更深入更全面的了解。杨桃的形状是椭圆还是五角星？取决于不同的观测角度。

一台射电望远镜所观测的信号与手机、卫星等信号重合，观测效果会很差；倘若避开这些干扰源所使用的波段，的确能达到减少干扰的目的，但同时也意味着射电望远镜的观测存在死角，无法覆盖某些波段的信号，那么，来自宇宙的某些信号就无法被捕捉。

这对于天文学家来说是一种缺憾，也在天文观测领域留下了些许空白。

捕捉宇宙古老的信号

让射电望远镜登月，不失为填补空白的一种构想。

根据班迪帕黑提交的计划，要在月球上建造的是直径1公里的射电望远镜，与直径500米的FAST相比，这款超长波射电望远镜的直径要大上一倍，天线接受面积增大3倍，因而可以观察波长大于10米、频率低于30MHz的宇宙辐射。

“这个波长对应宇宙早期的黑暗时代，是宇宙刚刚开始的样子，那时的宇宙信号距离我们很遥远，传递到地球的时候，已经相当微弱，加上地球上的无线电干扰，探索这一时期宇宙的物理性质成为难题。”刘庆会说，由于这种超长波会被地球电离层反射，因此在地球上无法观测，对这个波长的宇宙信号人类所知甚少。

专家表示，由于这款望远镜的直径更大，加上它能摆脱地球的各种干扰，所以与FAST相比，其灵敏度有可能大幅提高。灵敏度越高，越有能力捕捉从遥远地方传来的微弱信号。

不过，理想很丰满，现实很骨感。从原理上来说，天文望远镜要看得深看得远又看得清，直径越大越好，干扰越少越好。但在实际过程中，受工程难度大和成本高等方面的限制，理想下的望远镜配置往往并不能真的如愿。

刘庆会坦言，在月球背面建造直径为1公里的射电望远镜，“要面临的困难不敢想”。

此次提案描述了如何建立这个望远镜系统。在月背找到直径3至5公里的适宜月球陨石坑，用航天器将望远镜和安装设备双轴车运至月球。望远镜和双轴车分别在指定位置着陆后，经过展开、连接、固定等一系列步骤，完成望远镜安装。