寧靜的除了夏天，還有月球的背面_風聞

來源：國家天文台

“宇宙中並非一片寂靜…”——《宇宙原音之旅》

噪雜的電磁環境讓在地球上“監聽”宇宙成為一種奢望，即便用FAST這口“大鍋”收聽宇宙FM的信號也存在着這樣那樣的電磁干擾。怎麼辦？

真的那麼好奇宇宙的“歌聲”？不如，把射電望遠鏡這根“天線”放在宇宙裏，走~去月球448~

月球背面建口“鍋”

近來，NASA創新先進概念計劃（NIAC）提出了一個非常有科技感和未來感的計劃，要在月球背面建設一個巨大的月球環形山射電望遠鏡（LCRT）。此望遠鏡的直徑長達1 km，比貴州FAST的口徑還要大一倍。一旦項目落成，它將會是太陽系中最大的望遠鏡。

震驚！這口“鍋”比中國“大鍋”還要大？！

LCRT同其他射電望遠鏡的大小對比，從上到下分別為美國的阿雷西博望遠鏡307 m，中國FAST望遠鏡500 m，以及籌備中的LCRT 1000 m 圖源：自繪

目前NASA已經宣佈對此項目進行了第一階段的撥款，並於官網中公佈，項目的科學預研究也在進行當中。同FAST選取貴州的大窩凼進行建設類似，NIAC擬定在月背選取直徑為3-5 km的隕石坑為基礎，進行1 km望遠鏡的建設工作。選取一個具有合適寬度深度的比例環形山，以方便鏡面的鋪設。這將是人類首次從事外太空望遠鏡建設工作。擺脱了大氣桎梏的它，在科學上的成就將會是空前的。我們將會有更大的可能發現外星人，同時，它將以更長的波長觀測整個宇宙，這無疑會讓人們對宇宙有全新的認識。

隕石坑變“大鍋”，雖然想法很好，但是宇宙那麼大，為什麼“新鍋”放在月球上？

設想的太陽系最大射電望遠鏡LCRT效果圖 圖源：NASA

NASA官網公佈的通過撥款項目名單，圖中只截取了包含LCRT的一部分 圖源：NASA

月球背面：“風水寶地”

由於潮汐鎖定，月球有一面是始終背對我們的。不能為我們直接目睹的月背，一直是天文學家夢寐以求的觀測地點。自阿波羅登月以來，前前後後提出了若干種依託月球的天文探測計劃。現在，這一史上最大望遠鏡選在月球上建設主要有以下兩大考量因素：

電磁輻射的寧靜

對於電磁波而言，月球本身是一個巨大的物理屏障，電磁波本身無法穿透直徑3400多公里的月球，這也就是為什麼除了嫦娥四號，此前沒有任何的航天器在月背登陸過的原因。因而，為了滿足嫦娥四號的通訊需求，我國專門發射了鵲橋號中繼星。

月背——相對月球正面，對月背的探索就少的多了 圖源：wikipedia.org

月背的探索需要面對重重障礙，但這對天文學家是個好消息。**屏蔽電磁輻射干擾的月背是一片難得的寧靜之地。**在月背建設的射電望遠鏡可以無損監聽到來自宇宙深處的信息，而不用擔心與周邊電磁環境相混淆，也就不會出現把微波爐信號當成是宇宙信號這樣令人惋惜的謬誤了。

隨着通訊的發展，空氣裏彌散的無線電噪聲越來越多，為了避免干擾，地球上射電望遠鏡的選址多處在人煙稀少的地方，而且望遠鏡周邊需要設置**無線電靜默區。**天文學家們面對日益糟糕的電磁環境，幾乎是拼了命地去維護望遠鏡周邊的“寧靜”。

就以我國的FAST為例，它的造價是8億人民幣，而5公里內居民的搬遷費就花了21億。建成之後，除了相當嚴格的參觀條例，還在周邊的30 km範圍內設立了無線電靜默區，通過分區設置不同的限制條件以獲得良好的電磁環境。

電磁干擾會污染觀測數據，增加數據處理的難度，強的干擾信號甚至直接將數據淹沒，這可能會致使我們失去若干有價值的信息，也會誤導辛勤的科研工作者。所以天文學家們迫切在太空和月球背面觀測來杜絕這些不可控因素。

處於處女地的超長波科學

除了隔絕電磁輻射，沒有大氣的月背還有很多研究優勢，比如我們最為期待的超長波科學的研究****。

在電磁波譜中，我們把波長超過10 m的波稱之為超長波，對應的頻率低於30 MHz。這是電磁頻譜中波長最長（頻率最低）的一塊，也是人類接觸甚少的一塊。

地球大氣層對於不同電磁波吸收的情況，最右邊波長最長的是超長波 圖源：wikipedia.org

地球大氣對不同的波段有相應的吸收。它在保護我們免受宇宙射線的侵襲時，還為我們觀測宇宙保留了兩個窗口。一個窗口是可見光波段，另一個窗口就是**中長波的射電波段了。**而超長波範圍，由於地球電離層的強烈吸收，我們只能望"天"興嘆。另外，這一超長波信號頻段內有大量的廣播信號和通訊信號，這些信號往往會直接湮沒屬於天文的信號。而且干擾的信號還會在電離層和地面間反覆傳播，只能使我們更加絕望。

當然我們也不是沒有在地面上做過努力。在高磁緯地區，冬季的夜間電離層變薄時存在觀測機遇。在上世紀60-70年代時有一些科學家們進行過觀測，但是數據量很少，觀測的分辨率也很差，單個天體難以分辨，且沒有完整的全天觀測數。雖然有射電陣列的觀測頻率低於10 MHz，但主要用於觀測太陽爆發和木星射電等特別明亮的少數天體，還遠遠沒有到達宇宙學研究的尺度上。

目前整個電磁波譜中，唯有超長波這部分還留有一片龐大的空白。根據電磁波的波長頻率關係，波長×頻率=光速 ，電磁波的長波對應着低頻。目前我們知道有很多天體可以產生低頻射電輻射，但是尚缺觀測手段。要想進行一頻段內的科學探索，在地球上坐井觀天不太現實，我們只能希冀於在空曠的太空或者寧靜的月背觀測。NIAC提出在月背建設1 km的LCRT計劃無疑令整個天文學界為之興奮。月球的電離層非常薄，我們可以表面上進行低到500 kHz的超低頻觀測，這對於宇宙學的探索而言已經完全夠用。

所以在超長波頻段，LCRT必然會大顯身手，協助補全天文觀測裏的最後一塊電磁學拼圖。擁有超長波視力的LCRT，將會發現眾多未知的新現象。可以幫我們更深一步地揭示銀河系、星系團的結構，宇宙線的加速和傳播，瞭解宇宙大尺度結構的形成，窺探宇宙的起源，甚至可以幫我們接收到地外生命的信號。它仿若是一本菜譜，裏面塞滿了美食佳餚的秘方等着人們去發現。外加1 km 口徑的屬性加成，它不光可以讓人們看得更遠，也可以讓我們看得更清晰。

把“鍋”搬去月球

聽到這個消息的你，腦海裏可能會浮現出百十個宇航員在月表開着土工作業設備辛勤工作的場景。

暫且打住！誠然上百名宇航員在月球上大興土木的場景確實壯觀，但也要看到的是，美國的重返月球計劃尚且一推再推，更別説派遣那麼多宇航員和設備去那裏了。從目前顯示的資料來看，整個建設過程只需要從地球發射幾個機器人。雖然看起來不那麼壯觀，但是同發射數十艘載人登月飛船相比，顯得異常省錢。

施工想象圖 圖源：NASA

以上的機器人很大程度上會參與到這項建設工作中 圖源：參考文獻

整個建設過程分為**四步走：**1. 勘測有複合建設條件的隕石坑，並籌備發射作業機器人；2. 利用機器人對環形山“塑形”；3. 鋪設接收天體輻射的天線網絡；4. 放置接收天線信號的饋源和接收機。總體上和我們當初籌備建設FAST的流程差不多。

從選址來看，月背上約3000個直徑1-5 km的環形山可供選擇，要從中挑選出寬度和深度比例合適的“坑位”。當初建設FAST的時候，南仁東老先生走就走訪了很多喀斯特地貌，為的就是敲定合適的建設台址。而LCRT的建設無法通過派遣宇航員實地測繪，這從經濟和效率方面都是不划算的。不過，還好現在有了月球探測器測繪到的高精度地形信息，敲定建設台址也不是難事了。

台址選定後，便是最激動人心的建設工作了。首先要發射相應的挖掘和壓路機器人，對環形山進行“整容”，抹去它各種各樣的缺陷。第二步就是反射天線的鋪設了。想要建設1 km的望遠鏡，用料自然少不了。這一步需要從地球上發射約20噸的金屬天線，裏面包含了10,000個重量為2 kg的天線單元。為了接收天線反射的信號，還需要性能良好的接收器。在地球上製造好後，接收器將被機器人懸掛在環形山的上方。如此一來，再經過一些校準工作，這台望遠鏡就大功告成了。

建造LCRT過程中所需的質量估算 (數據來自參考資料[1])

預想的施工示意圖 圖源:NASA

寫在最後

LCRT的建設確實是一個大膽的創意。這將是人類第一次在地球之外進行望遠鏡的建設，而且也將會是太陽系最大的（不説地球最大是因為它已經超脱了地球的限制，不説宇宙最大是因為保不齊太陽系外的外星文明比我們建的還大）

我們會補全電磁波裏最後一塊拼圖——超長波，也會有一個又一個的科學難題等着它來解答，能夠將人類的視野伸向宇宙微波背景輻射(CMB)之前混沌的黑暗時代(dark ages)。也或許真的可以實現第三類接觸——聆聽到外星人的信號。

當然，無數期許的背後也存在着很多科學難題。就比如在月球施工的機器人容易受到月塵的阻塞，期間如何保障與地球的通訊，低重力的下施工又應如何安排妥當等等……每一步的背後都面臨着巨大挑戰，不過也正是這些挑戰，讓人類在探索的路上越走越遠。最後，謹以肯尼迪總統登月的演講作為本篇文章的結尾。

“我們決定在這十年間登上月球並實現更多夢想，並非它們輕而易舉，而正是因為它們困難重重。”—肯尼迪 圖源：quotefancy.com

P.S 我國的天文學家們也在如火如荼地進行基於月球的超長波探測計劃

參考文獻:

[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]黃仕傑, 張海燕, 甘恆謙, 嶽友嶺, 胡浩, 宋金友. FAST訪客電子設備電磁干擾分析. 天文研究與技術, 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