NASA要在月球背面安個望遠鏡 捕捉宇宙古老的信號

設(shè)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(chuàng)新先進概念計劃(NIAC)提交了一個新方案——月球環(huán)形山射電望遠鏡項目，即在月球背面的環(huán)形山中建立一個直徑1公里的射電望遠鏡。這一充滿奇思妙想的計劃立刻引發(fā)熱議。為何要在月球背面建立望遠鏡?為什么選擇射電望遠鏡?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干擾

根據(jù)觀測波段的不同，天文望遠鏡可分為射電、光學(xué)、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(xué)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干擾因素。

首先，地表上空有電離層。太陽照射大氣時會發(fā)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，它位于地球大氣和電離層內(nèi)，波長頻率低于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干擾。“手機通信、雷達、衛(wèi)星等發(fā)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(huán)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(xué)望遠鏡比較怕亮光，但如果“落戶”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么大，因而更加小巧精致，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。比如位于太空的哈勃空間望遠鏡就能獲得比地表光學(xué)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(xué)、紅外等望遠鏡那么精密。相對來說，在月球上造一個射電望遠鏡比造一個光學(xué)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(qū)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(wèi)星的無線電干擾都能被屏蔽掉。“這樣一來，望遠鏡捕捉到的就是觀測目標發(fā)出的信號，更有利于天文學(xué)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，面對無線電干擾，科學(xué)家們也采取了一些補救措施，其中最主要的就是“躲”。一是盡量把望遠鏡安裝在人跡罕至的地方，減少無線電干擾。二是盡量讓望遠鏡觀測的波長避開手機、雷達、衛(wèi)星等無線電信號的波長。“通俗來講，如果手機的信號占用了某一段波段，望遠鏡觀測就會相應(yīng)的避開這一波段的天體信號。通過‘惹不起躲得起’這一舉措，盡量減少了人造無線電對于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(guān)宇宙的信息也不同。以觀測太陽黑子為例，當科學(xué)家用光學(xué)望遠鏡對其進行觀測時，會發(fā)現(xiàn)黑子很暗，但是用射電望遠鏡去看黑子，就會發(fā)現(xiàn)黑子的電磁場輻射比太陽其他區(qū)域更強。

所以，天文學(xué)家希望對同一觀測目標實現(xiàn)全波段觀測，能用射電、光學(xué)、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?取決于不同的觀測角度。

一臺射電望遠鏡所觀測的信號與手機、衛(wèi)星等信號重合，觀測效果會很差;倘若避開這些干擾源所使用的波段，的確能達到減少干擾的目的，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，那么，來自宇宙的某些信號就無法被捕捉。

這對于天文學(xué)家來說是一種缺憾，也在天文觀測領(lǐng)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(gòu)想。

根據(jù)班迪帕黑提交的計劃，要在月球上建造的是直徑1公里的射電望遠鏡，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于10米、頻率低于30MHz的宇宙輻射。

“這個波長對應(yīng)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(jīng)相當微弱，加上地球上的無線電干擾，探索這一時期宇宙的物理性質(zhì)成為難題。”劉慶會說，由于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，由于這款望遠鏡的直徑更大，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地方傳來的微弱信號。

不過，理想很豐滿，現(xiàn)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，干擾越少越好。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并不能真的如愿。

劉慶會坦言，在月球背面建造直徑為1公里的射電望遠鏡，“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(tǒng)。在月背找到直徑3至5公里的適宜月球隕石坑，用航天器將望遠鏡和安裝設(shè)備雙軸車運至月球。望遠鏡和雙軸車分別在指定位置著陸后，經(jīng)過展開、連接、固定等一系列步驟，完成望遠鏡安裝。

由于在地球上看不到月球背面，只能通過中繼星進行遠程操控。“選擇什么樣的環(huán)形山?建造望遠鏡的材料如何軟著陸?著陸后望遠鏡如何展開?建造和維護望遠鏡需要的持續(xù)供電怎么保證?這些都是問題。”劉慶會說，根據(jù)現(xiàn)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(tǒng)約翰·肯尼迪所言：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，并最終推動人類一步步往前。(實習(xí)記者 代小佩)

關(guān)鍵詞： NASA 望遠鏡