在月球建造巨型“超級(jí)望遠(yuǎn)鏡”？這可不簡(jiǎn)單

近日，法國(guó)科學(xué)家公布了在月球上建造巨型“超級(jí)望遠(yuǎn)鏡”的計(jì)劃，引發(fā)外界廣泛關(guān)注。那么，人類為什么要在月球上放置望遠(yuǎn)鏡？這會(huì)面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？目前又有哪些國(guó)家開展了類似的探索呢？

觀測(cè)宇宙的好位置

為了探尋隱藏在宇宙之中的秘密，人類在科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，不斷努力提升觀測(cè)地外天體及宇宙現(xiàn)象的能力。在漫長(zhǎng)的太空探索歷程中，人類在地球上建造了大量的太空望遠(yuǎn)鏡。同時(shí)，為了以更好的角度觀測(cè)太空，人們還通過飛機(jī)搭載太空望遠(yuǎn)鏡，或者直接將太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到地球軌道上。這些不同形式、種類的太空望遠(yuǎn)鏡，為人類探索宇宙奧秘提供了一種有效的方式，科學(xué)家們也因此獲得了大量科學(xué)成果。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人類探索太空的方式也在不斷進(jìn)步。2021年底，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射，它在抵達(dá)環(huán)繞日地拉格朗日L2點(diǎn)運(yùn)行的暈軌道后，開始觀測(cè)遙遠(yuǎn)的太空，并取得許多科學(xué)成果。

近年來，隨著人類對(duì)月球的探索和了解更加深入，各國(guó)科學(xué)家開始研究能否將太空望遠(yuǎn)鏡放置或建造在月球上。

月球上巨大的隕石坑減少了建造巨型太空望遠(yuǎn)鏡的土方工程

月球上沒有大氣和光污染，望遠(yuǎn)鏡的分辨能力不會(huì)遭到破壞。月球自轉(zhuǎn)周期約為28天，超長(zhǎng)的夜晚使得望遠(yuǎn)鏡可以連續(xù)觀測(cè)同一個(gè)目標(biāo)長(zhǎng)達(dá)近14天。如果將望遠(yuǎn)鏡放在月球背面的環(huán)形山上，根據(jù)月球與地球的潮汐鎖定原理，望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)不會(huì)受到地球無線電、衛(wèi)星、太陽無線電噪聲等影響，是一個(gè)非常好的觀測(cè)宇宙的位置。

而這些新型月球望遠(yuǎn)鏡，將為長(zhǎng)期困擾人類的關(guān)鍵問題提供新的答案。比如宇宙從何而來？我們又是從哪里來的？在浩瀚的宇宙中，我們是孤獨(dú)的嗎？

實(shí)際上，在月球上放置和建造望遠(yuǎn)鏡并不是一個(gè)新想法。早在美國(guó)宇航局于20世紀(jì)60～70年代進(jìn)行的阿波羅載人登月計(jì)劃中，成功登月的航天員在月球上放置了后向反射器，以便天文學(xué)家可以精確測(cè)量地球到月球的距離。

我國(guó)于2013年12月2日發(fā)射的嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器，就搭載了由一塊可以擺動(dòng)的平面反射鏡和一個(gè)大口徑的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)組成的月基天文望遠(yuǎn)鏡，它可以通過反射鏡的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)星空大范圍觀測(cè)。月基天文望遠(yuǎn)鏡充分利用了月球沒有大氣干擾和自轉(zhuǎn)緩慢的優(yōu)勢(shì)，在近紫外波段對(duì)一批有重要科學(xué)價(jià)值的天體進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，完成在地球表面無法實(shí)現(xiàn)的觀測(cè)任務(wù)。

多國(guó)著手展開探索

現(xiàn)在，科學(xué)家們對(duì)在月球上建造太空望遠(yuǎn)鏡有了更加宏大、大膽的計(jì)劃。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于2023年公布了在月球背面建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡——月球隕石坑射電望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃，打算在月球背面選擇一個(gè)直徑約3～5公里的隕石坑，利用DuAxel機(jī)器人建造一個(gè)有效口徑1公里以上的網(wǎng)狀反射鏡。月球隕石坑射電望遠(yuǎn)鏡建成后將成為太陽系最大的射電望遠(yuǎn)鏡，它的主要用途是測(cè)量宇宙黑暗時(shí)期產(chǎn)生的長(zhǎng)波無線電波。

目前，在地球上建設(shè)的射電望遠(yuǎn)鏡無法探測(cè)到這一神秘時(shí)期，因?yàn)閬碜阅莻€(gè)時(shí)期的長(zhǎng)波無線電波會(huì)被地球大氣層頂部的離子和電子層反射，使望遠(yuǎn)鏡無法接收。

同時(shí)，手機(jī)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星等發(fā)出的人造信號(hào)比來自宇宙的信號(hào)要強(qiáng)幾百萬倍，對(duì)地面射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)環(huán)境有著很大的影響。但在沒有大氣層的月球上，這些信號(hào)將不會(huì)被反射。同時(shí)月球本身能夠屏蔽地球的無線電通信，避免地球上的電磁波干擾太空望遠(yuǎn)鏡的工作。

此外，美國(guó)宇航局和美國(guó)能源部正在合作開發(fā)與月球隕石坑射電望遠(yuǎn)鏡類似的月球表面電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)夜項(xiàng)目。通過這次合作，美國(guó)能源部和美國(guó)宇航局正在為未來幾十年成功探索黑暗時(shí)代宇宙學(xué)創(chuàng)造條件。該項(xiàng)目的射電望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)于2025年發(fā)射至月球遠(yuǎn)端，在夜間月球環(huán)境下首次利用可展開天線和無線電接收器測(cè)量敏感無線電波信號(hào)。

各國(guó)科學(xué)家還提出了月極生命探測(cè)望遠(yuǎn)鏡、月球光學(xué)紫外線探測(cè)器等項(xiàng)目，前者將專注于研究系外行星凌日時(shí)的大氣，后者將專注于研究明亮的紫外線物體。

在此次公開的月球巨型超級(jí)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃中，法國(guó)科學(xué)家對(duì)于“怎么建”提出了更具體的構(gòu)想，即利用月球隕石坑的特殊地形進(jìn)行建造。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的功率在很大程度上取決于主鏡的大小和望遠(yuǎn)鏡的焦距，而焦距可以通過增加反射面來增長(zhǎng)?？茖W(xué)家提出，超級(jí)望遠(yuǎn)鏡可以使用鏡子陣列作為主鏡，它們沿著隕石坑的地形排列，望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)器群可以懸掛在上方。鏡子不需要很大，因此它們更容易建造，并且所需的土方工程更少。

工程建設(shè)挑戰(zhàn)不少

目前，所有這些想法仍然處于早期階段，首先面臨的最大問題就是如何在月球上建造望遠(yuǎn)鏡。如今各國(guó)都在大力推進(jìn)載人登月計(jì)劃，在謀求將航天員成功送上月球的同時(shí)，也計(jì)劃著在月球軌道和月球表面建設(shè)空間站和月面科學(xué)基地，但這仍然需要數(shù)年時(shí)間。

隨著載人登月計(jì)劃的逐步實(shí)施和月球科學(xué)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，人類將在月球上具備一定的生產(chǎn)能力和建設(shè)能力。不過，人力在月球上始終是有限的，想要在月球上建造大型太空望遠(yuǎn)鏡，勢(shì)必需要利用機(jī)器人。

而將建設(shè)月球太空望遠(yuǎn)鏡所需的設(shè)備、材料、工程機(jī)械等通通運(yùn)送到月球上，本身就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。目前人類還無法做到將足以建造出太空望遠(yuǎn)鏡的材料一次性運(yùn)送到月球，如果一次一次地向月球運(yùn)送這些材料，發(fā)射相關(guān)航天器所花費(fèi)的成本是非常巨大的。

除此之外，還有一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)需要克服。由于受到潮汐鎖定影響，月球表面的溫度十分極端，最高溫度可以達(dá)到100℃以上，最低溫度甚至低至零下173℃，這會(huì)對(duì)觀測(cè)信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生較大影響。

再加上月球存在月震，這會(huì)對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡的建造以及建成后的觀測(cè)對(duì)準(zhǔn)形成較大影響。另外，隨著時(shí)間的推移，灰塵會(huì)積聚在望遠(yuǎn)鏡上，如何清理這些沉積在望遠(yuǎn)鏡表面的月塵，也是一個(gè)很大的問題。

在月球上建造超級(jí)望遠(yuǎn)鏡，對(duì)天文研究來說是一個(gè)重大的飛躍，月球獨(dú)特的條件為人類深入探索宇宙提供了機(jī)會(huì)。雖然挑戰(zhàn)重重，但各國(guó)對(duì)于月球天文學(xué)的遠(yuǎn)見追求，展示了解開幾千年來困惑人類的宇宙之謎的集體決心。如果未來人類真的能夠在月球背面成功建造大量不同功能的天文望遠(yuǎn)鏡，將是人類科技的重大突破。（作者：林胤之 圖片來源：NASA 把關(guān)專家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）