宁静的除了夏天，还有月球的背面

作者：乘凉（中国科学院国家天文台）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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“宇宙中并非一片寂静...”——《宇宙原音之旅》

噪杂的电磁环境让在地球上“监听”宇宙成为一种奢望，即便用FAST这口“大锅”收听宇宙FM的信号也存在着这样那样的电磁干扰。怎么办？

真的那么好奇宇宙的“歌声”？不如，把射电望远镜这根“天线”放在宇宙里，走~去月球448~

月球背面建口“锅”

近来，NASA创新先进概念计划（NIAC）提出了一个非常有科技感和未来感的计划，要在月球背面建设一个巨大的月球环形山射电望远镜（LCRT）。此望远镜的直径长达1 km，比贵州FAST的口径还要大一倍。一旦项目落成，它将会是太阳系中最大的望远镜。

震惊！这口“锅”比中国“大锅”还要大？！

LCRT同其他射电望远镜的大小对比，从上到下分别为美国的阿雷西博望远镜307 m，中国FAST望远镜500 m，以及筹备中的LCRT 1000 m 图源：自绘

目前NASA已经宣布对此项目进行了第一阶段的拨款，并于官网中公布，项目的科学预研究也在进行当中。同FAST选取贵州的大窝凼进行建设类似，NIAC拟定在月背选取直径为3-5 km的陨石坑为基础，进行1 km望远镜的建设工作。选取一个具有合适宽度深度的比例环形山，以方便镜面的铺设。这将是人类首次从事外太空望远镜建设工作。摆脱了大气桎梏的它，在科学上的成就将会是空前的。我们将会有更大的可能发现外星人，同时，它将以更长的波长观测整个宇宙，这无疑会让人们对宇宙有全新的认识。

陨石坑变“大锅”，虽然想法很好，但是宇宙那么大，为什么“新锅”放在月球上？

设想的太阳系最大射电望远镜LCRT效果图 图源：NASA

NASA官网公布的通过拨款项目名单，图中只截取了包含LCRT的一部分 图源：NASA

月球背面：“风水宝地”

由于潮汐锁定，月球有一面是始终背对我们的。不能为我们直接目睹的月背，一直是天文学家梦寐以求的观测地点。自阿波罗登月以来，前前后后提出了若干种依托月球的天文探测计划。现在，这一史上最大望远镜选在月球上建设主要有以下两大考量因素：

电磁辐射的宁静

对于电磁波而言，月球本身是一个巨大的物理屏障，电磁波本身无法穿透直径3400多公里的月球，这也就是为什么除了嫦娥四号，此前没有任何的航天器在月背登陆过的原因。因而，为了满足嫦娥四号的通讯需求，我国专门发射了鹊桥号中继星。

月背——相对月球正面，对月背的探索就少的多了 图源：wikipedia.org

月背的探索需要面对重重障碍，但这对天文学家是个好消息。屏蔽电磁辐射干扰的月背是一片难得的宁静之地。在月背建设的射电望远镜可以无损监听到来自宇宙深处的信息，而不用担心与周边电磁环境相混淆，也就不会出现把微波炉信号当成是宇宙信号这样令人惋惜的谬误了。

随着通讯的发展，空气里弥散的无线电噪声越来越多，为了避免干扰，地球上射电望远镜的选址多处在人烟稀少的地方，而且望远镜周边需要设置无线电静默区。天文学家们面对日益糟糕的电磁环境，几乎是拼了命地去维护望远镜周边的“宁静”。

就以我国的FAST为例，它的造价是8亿人民币，而5公里内居民的搬迁费就花了21亿。建成之后，除了相当严格的参观条例，还在周边的30 km范围内设立了无线电静默区，通过分区设置不同的限制条件以获得良好的电磁环境。

电磁干扰会污染观测数据，增加数据处理的难度，强的干扰信号甚至直接将数据淹没，这可能会致使我们失去若干有价值的信息，也会误导辛勤的科研工作者。所以天文学家们迫切在太空和月球背面观测来杜绝这些不可控因素。

处于处女地的超长波科学

除了隔绝电磁辐射，没有大气的月背还有很多研究优势，比如我们最为期待的超长波科学的研究。

在电磁波谱中，我们把波长超过10 m的波称之为超长波，对应的频率低于30 MHz。这是电磁频谱中波长最长（频率最低）的一块，也是人类接触甚少的一块。

地球大气层对于不同电磁波吸收的情况，最右边波长最长的是超长波 图源：wikipedia.org

地球大气对不同的波段有相应的吸收。它在保护我们免受宇宙射线的侵袭时，还为我们观测宇宙保留了两个窗口。一个窗口是可见光波段，另一个窗口就是中长波的射电波段了。而超长波范围，由于地球电离层的强烈吸收，我们只能望"天"兴叹。另外，这一超长波信号频段内有大量的广播信号和通讯信号，这些信号往往会直接湮没属于天文的信号。而且干扰的信号还会在电离层和地面间反复传播，只能使我们更加绝望。

当然我们也不是没有在地面上做过努力。在高磁纬地区，冬季的夜间电离层变薄时存在观测机遇。在上世纪60-70年代时有一些科学家们进行过观测，但是数据量很少，观测的分辨率也很差，单个天体难以分辨，且没有完整的全天观测数。虽然有射电阵列的观测频率低于10 MHz，但主要用于观测太阳爆发和木星射电等特别明亮的少数天体，还远远没有到达宇宙学研究的尺度上。

目前整个电磁波谱中，唯有超长波这部分还留有一片庞大的空白。根据电磁波的波长频率关系，波长×频率=光速 ，电磁波的长波对应着低频。目前我们知道有很多天体可以产生低频射电辐射，但是尚缺观测手段。要想进行一频段内的科学探索，在地球上坐井观天不太现实，我们只能希冀于在空旷的太空或者宁静的月背观测。NIAC提出在月背建设1 km的LCRT计划无疑令整个天文学界为之兴奋。月球的电离层非常薄，我们可以表面上进行低到500 kHz的超低频观测，这对于宇宙学的探索而言已经完全够用。

所以在超长波频段，LCRT必然会大显身手，协助补全天文观测里的最后一块电磁学拼图。拥有超长波视力的LCRT，将会发现众多未知的新现象。可以帮我们更深一步地揭示银河系、星系团的结构，宇宙线的加速和传播，了解宇宙大尺度结构的形成，窥探宇宙的起源，甚至可以帮我们接收到地外生命的信号。它仿若是一本菜谱，里面塞满了美食佳肴的秘方等着人们去发现。外加1 km 口径的属性加成，它不光可以让人们看得更远，也可以让我们看得更清晰。

把“锅”搬去月球

听到这个消息的你，脑海里可能会浮现出百十个宇航员在月表开着土工作业设备辛勤工作的场景。

暂且打住！诚然上百名宇航员在月球上大兴土木的场景确实壮观，但也要看到的是，美国的重返月球计划尚且一推再推，更别说派遣那么多宇航员和设备去那里了。从目前显示的资料来看，整个建设过程只需要从地球发射几个机器人。虽然看起来不那么壮观，但是同发射数十艘载人登月飞船相比，显得异常省钱。

施工想象图 图源：NASA

以上的机器人很大程度上会参与到这项建设工作中 图源：参考文献

整个建设过程分为四步走：1. 勘测有复合建设条件的陨石坑，并筹备发射作业机器人；2. 利用机器人对环形山“塑形”；3. 铺设接收天体辐射的天线网络；4. 放置接收天线信号的馈源和接收机。总体上和我们当初筹备建设FAST的流程差不多。

从选址来看，月背上约3000个直径1-5 km的环形山可供选择，要从中挑选出宽度和深度比例合适的“坑位”。当初建设FAST的时候，南仁东老先生走就走访了很多喀斯特地貌，为的就是敲定合适的建设台址。而LCRT的建设无法通过派遣宇航员实地测绘，这从经济和效率方面都是不划算的。不过，还好现在有了月球探测器测绘到的高精度地形信息，敲定建设台址也不是难事了。

台址选定后，便是最激动人心的建设工作了。首先要发射相应的挖掘和压路机器人，对环形山进行“整容”，抹去它各种各样的缺陷。第二步就是反射天线的铺设了。想要建设1 km的望远镜，用料自然少不了。这一步需要从地球上发射约20吨的金属天线，里面包含了10,000个重量为2 kg的天线单元。为了接收天线反射的信号，还需要性能良好的接收器。在地球上制造好后，接收器将被机器人悬挂在环形山的上方。如此一来，再经过一些校准工作，这台望远镜就大功告成了。

建造LCRT过程中所需的质量估算 (数据来自参考资料[1])

预想的施工示意图 图源:NASA

写在最后

LCRT的建设确实是一个大胆的创意。这将是人类第一次在地球之外进行望远镜的建设，而且也将会是太阳系最大的（不说地球最大是因为它已经超脱了地球的限制，不说宇宙最大是因为保不齐太阳系外的外星文明比我们建的还大）

我们会补全电磁波里最后一块拼图——超长波，也会有一个又一个的科学难题等着它来解答，能够将人类的视野伸向宇宙微波背景辐射(CMB)之前混沌的黑暗时代(dark ages)。也或许真的可以实现第三类接触——聆听到外星人的信号。

当然，无数期许的背后也存在着很多科学难题。就比如在月球施工的机器人容易受到月尘的阻塞，期间如何保障与地球的通讯，低重力的下施工又应如何安排妥当等等......每一步的背后都面临着巨大挑战，不过也正是这些挑战，让人类在探索的路上越走越远。最后，谨以肯尼迪总统登月的演讲作为本篇文章的结尾。

“我们决定在这十年间登上月球并实现更多梦想，并非它们轻而易举，而正是因为它们困难重重。”—肯尼迪 图源：quotefancy.com

P.S 我国的天文学家们也在如火如荼地进行基于月球的超长波探测计划

参考文献:

[1]S. Bandyopadhyay et al., "Conceptual ideas for radio telescope on the far side of the moon," 2018 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, 2018, pp. 1-10.

[2]黄仕杰, 张海燕, 甘恒谦, 岳友岭, 胡浩, 宋金友. FAST访客电子设备电磁干扰分析. 天文研究与技术, 2017, 14(2): 268-274.

[3]Lunar reconnaissance orbiter camera database.(http://www.lroc.asu.edu/)

[4]Altenhoff W J . Fundamentals of Radio Astronomy[M]// Compendium of Practical Astronomy. Springer Berlin Heidelberg, 1994.

[5]https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1586351878&ver=2266&signature=SmHMC0fRM1kenJ6mO-4Fzx-qqOOCcY-90biEdGIib8O7rUzK-HDnWzl6yp52yO00fcAUdVoc8c-UrH9y2-Fbfm9u7WSIf8DtqtBvBPVL04tHlUMYtbEAr54QzHQmp5&new=1