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望遠鏡﹑粒子對撞機…… 科學家想把這些設備搬上月球

來源﹕科技日報2020-06-30 08:30

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  NASA

  找到絕佳的實驗場所﹐對科學家來說無疑是夢寐以求的事情之一。近日﹐天體物理學家保羅‧薩特撰寫的《物理學家為什麼想要在月球上建造粒子對撞機﹖》一文引發天文愛好者關注。文中介紹﹐今年早些時候﹐研究人員發表在預印本數據庫arXiv.org上的一篇文章認為﹐月球是一個非常適合進行高能物理研究的場所﹐並探討了在月球上建造粒子對撞機等設施的可能性。

  事實上﹐不祗是粒子對撞機﹐此前科學家還提出過在月球上建射電望遠鏡的設想。那麼﹐哪些科學研究適合在月球開展﹖科學家們如此青睞月球的原因有哪些﹖在月球上建科學設施面臨哪些挑戰﹖科技日報記者就此進行了採訪。

  設置天線陣列 捕捉超長電磁波信號

  在中國科學院國家天文臺研究員平勁松看來﹐在月面開展的科學研究﹐極具吸引力且相對容易實現的項目主要包括﹕在月球背面開展低頻射電天文觀測﹑在月球正面和極區進行對地觀測﹑開展地月系統動力學演化研究和廣義相對論驗證實驗等。

  在月球背面開展低頻射電天文觀測的優勢顯而易見。沒有地球磁層和電離層對超長波電磁輻射的阻擋干擾﹐在月球背面可以相對容易地接收到來自宇宙空間這一波長的電磁信號。

  由於月球背面永遠不會朝向地球﹐來自地球及其空間的電磁波輻射被月球本體所阻擋﹐所以月背是地月空間中一處非常難得的“淨土”﹐電磁環境十分安靜﹑少人工干擾。

  在滿月前後的半個月中﹐通常太陽的超長波射電輻射爆發也被月球本體所屏蔽﹐可進一步去除背景雜音﹐更加有利於提昇射電天文觀測的靈敏度。

  “除了建造單臺射電望遠鏡之外﹐設置天線陣列是另一個可考慮的方向。”平勁松介紹﹐在月球背面設置天線陣列﹐可針對波長超過10米的宇宙或月球空間超長電磁波進行探測。

  在射電天文領域﹐對超長波的探測目前幾乎是一個空白。受地球電離層遮擋﹐在地球上難以探測到這一波段的宇宙輻射信號。而在地球空間﹐由於人造衛星產生的人工信號和部分來自地面的輻射干擾過強等原因﹐同樣難以捕捉到該波段信號。

  對超長射電波的探測﹐是瞭解宇宙的一個重要窗口﹐有助於科學家對宇宙黑暗時代和黎明時代的演化特性﹑銀河系在這一波段的全天域輻射圖等有更多的瞭解與認知。

  月基對地觀測 全新視角看地球

  氣候變化直接關係到人類的生存與發展。地面─大氣系統輻射能量收支體現了地球吸收和釋放能量的多少﹐完備連續地監測這一指標對研究全球氣候變化至關重要。

  從上世紀七十年代末期開始﹐多個國家先後發射了數十顆專門用於測量太陽和地球輻射的人造地球衛星。然而﹐人造地球衛星存在一些不足﹐重要原因在於其對地觀測視角有限﹐而且不是長期穩定的觀測平臺﹐難以對地球進行長周期大尺度的連續觀測。

  因此﹐有必要從一個全新的角度和途徑來精確觀測地面─大氣系統輻射能量收支﹐進而探究全球氣候變化機理。為進一步提昇對地觀測能力﹐遙感領域著名學者郭華東院士曾提出構建月基對地觀測平臺﹐利用傳感器組對地球的宏觀現象進行監測的構想。

  作為地球唯一的自然衛星﹐月球的自轉被地球潮汐鎖定﹐正面永遠朝向地球﹐在月球正面設置對地球的觀測裝置﹐可以簡化探測器的指向跟蹤模式﹐連續同步得到半個地球的熱環境遙感及其時間變化信息。“月面對地觀測具備長期一致性﹑整體性﹑穩定性以及唯一性這幾大優勢﹐有望成為一個獨特的對地觀測平臺。”平勁松指出。

  此外﹐在空間天氣與環境的科學研究和監測方面﹐比較典型的需求是使用極紫外波段的傳感器﹐精細監測地球等離子體層和磁層結構特徵﹐監測地球兩極和電離層上部爆發輻射的千米波長電磁波和高層大氣雷電環境﹐以及在不同月像狀況下監測這些等離子體層結構﹑爆發輻射與太陽風和地球磁鞘層之間的耦合關係。

  借力月面裝置 探測低頻引力波

  自上世紀六十年代起﹐人類先後在月面設置了5個激光反射鏡。天文學家可以在地球上向設置在月面的激光反射鏡發射激光﹐並捕捉反射回來的光束﹐進行激光測距實驗﹐對地月系統動力學演化展開研究。

  “這一研究持續了數十年。在地月之間38萬公里的距離上﹐目前距離測量精度達到了2─3厘米﹐速度測量精度達到了20微米/秒。”平勁松介紹﹐該研究發現月球每年以3.5厘米左右的速度遠離地球﹐最早在空間領域驗證了廣義相對論引力延遲效應。

  有學者提出﹐未來藉助在月面設置高性能原子鐘﹑微波轉發裝置﹑多普勒測速儀﹑相位距離測量裝置等﹐有希望在地月空間的微波或激光鏈路上開展空間低頻引力波的探索。

  同時﹐藉助在月面設置時間頻率基准裝置﹐可以更有效地通過地月鏈路獲得地球和月球轉動異常信息﹐揭示導致轉動異常的星球內部物質及其動力學分佈特性。

  此外﹐結合繞月衛星﹑地球軌道衛星和地月激光測距﹐科學家認為﹐將有機會檢測地月空間和繞太陽飛行軌道上是否存在可被感知質量的暗物質。

  搭建月球基地 面臨諸多挑戰

  藉助空間平臺開展低頻引力波探測﹐假設測量精度相同﹐在更長的距離和質量更大的天體周圍會獲得更加靈敏的探測能力。如果在地火﹑地木﹑地土距離上開展高精度微波測量﹐會比在地月距離上開展引力理論的驗證更有利。

  “但從可及性﹑成本和天然條件等因素綜合考慮﹐和其他天體相比﹐在月球上搭建科學設施﹐開展科學探測的可能性最大。”平勁松認為。其中﹐對設備規模要求不高的月面探測研究﹐如地月動力學﹑對地空間天氣遙感﹑月球背面單元低頻射電天文觀測等﹐已經具備了一定的技術條件﹐實現相應科學研究目標的技術可行性相對較高。

  然而﹐對於那些需要依靠大規模設備開展的月面探測﹐無論是依托無人基地還是有人基地﹐技術上仍存在許多瓶頸。包括搭建高能物理裝置﹑月背低頻射電天文巨型陣列﹑月基對地遙感觀測等﹐都必須建立在對月球成熟開發的基礎上﹐具備形成月球基地的條件後才有可能實施。

  “可以看出﹐月球基地本身的建設技術﹐實際上構成了在月球上開展相關科學探索最大的技術瓶頸。”平勁松指出。

  (記者 唐 婷)

 

[ 責編﹕涂子怡 ]
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