找到絕佳的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，對(duì)科學(xué)家來說無疑是夢(mèng)寐以求的事情之一。近日，天體物理學(xué)家保羅·薩特撰寫的《物理學(xué)家為什么想要在月球上建造粒子對(duì)撞機(jī)?》一文引發(fā)天文愛好者關(guān)注。文中介紹，今年早些時(shí)候，研究人員發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫arXiv.org上的一篇文章認(rèn)為，月球是一個(gè)非常適合進(jìn)行高能物理研究的場(chǎng)所，并探討了在月球上建造粒子對(duì)撞機(jī)等設(shè)施的可能性。

事實(shí)上，不只是粒子對(duì)撞機(jī)，此前科學(xué)家還提出過在月球上建射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想。那么，哪些科學(xué)研究適合在月球開展?科學(xué)家們?nèi)绱饲嗖A月球的原因有哪些?在月球上建科學(xué)設(shè)施面臨哪些挑戰(zhàn)?科技日?qǐng)?bào)記者就此進(jìn)行了采訪。

設(shè)置天線陣列 捕捉超長(zhǎng)電磁波信號(hào)

在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松看來，在月面開展的科學(xué)研究，極具吸引力且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目主要包括：在月球背面開展低頻射電天文觀測(cè)、在月球正面和極區(qū)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)、開展地月系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化研究和廣義相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。

在月球背面開展低頻射電天文觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)顯而易見。沒有地球磁層和電離層對(duì)超長(zhǎng)波電磁輻射的阻擋干擾，在月球背面可以相對(duì)容易地接收到來自宇宙空間這一波長(zhǎng)的電磁信號(hào)。

由于月球背面永遠(yuǎn)不會(huì)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“凈土”，電磁環(huán)境十分安靜、少人工干擾。

在滿月前后的半個(gè)月中，通常太陽的超長(zhǎng)波射電輻射爆發(fā)也被月球本體所屏蔽，可進(jìn)一步去除背景雜音，更加有利于提升射電天文觀測(cè)的靈敏度。

“除了建造單臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡之外，設(shè)置天線陣列是另一個(gè)可考慮的方向。”平勁松介紹，在月球背面設(shè)置天線陣列，可針對(duì)波長(zhǎng)超過10米的宇宙或月球空間超長(zhǎng)電磁波進(jìn)行探測(cè)。

在射電天文領(lǐng)域，對(duì)超長(zhǎng)波的探測(cè)目前幾乎是一個(gè)空白。受地球電離層遮擋，在地球上難以探測(cè)到這一波段的宇宙輻射信號(hào)。而在地球空間，由于人造衛(wèi)星產(chǎn)生的人工信號(hào)和部分來自地面的輻射干擾過強(qiáng)等原因，同樣難以捕捉到該波段信號(hào)。

對(duì)超長(zhǎng)射電波的探測(cè)，是了解宇宙的一個(gè)重要窗口，有助于科學(xué)家對(duì)宇宙黑暗時(shí)代和黎明時(shí)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了解與認(rèn)知。

月基對(duì)地觀測(cè) 全新視角看地球

氣候變化直接關(guān)系到人類的生存與發(fā)展。地面—大氣系統(tǒng)輻射能量收支體現(xiàn)了地球吸收和釋放能量的多少，完備連續(xù)地監(jiān)測(cè)這一指標(biāo)對(duì)研究全球氣候變化至關(guān)重要。

從上世紀(jì)七十年代末期開始，多個(gè)國(guó)家先后發(fā)射了數(shù)十顆專門用于測(cè)量太陽和地球輻射的人造地球衛(wèi)星。然而，人造地球衛(wèi)星存在一些不足，重要原因在于其對(duì)地觀測(cè)視角有限，而且不是長(zhǎng)期穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)，難以對(duì)地球進(jìn)行長(zhǎng)周期大尺度的連續(xù)觀測(cè)。

因此，有必要從一個(gè)全新的角度和途徑來精確觀測(cè)地面—大氣系統(tǒng)輻射能量收支，進(jìn)而探究全球氣候變化機(jī)理。為進(jìn)一步提升對(duì)地觀測(cè)能力，遙感領(lǐng)域著名學(xué)者郭華東院士曾提出構(gòu)建月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)，利用傳感器組對(duì)地球的宏觀現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)的構(gòu)想。

作為地球唯一的自然衛(wèi)星，月球的自轉(zhuǎn)被地球潮汐鎖定，正面永遠(yuǎn)朝向地球，在月球正面設(shè)置對(duì)地球的觀測(cè)裝置，可以簡(jiǎn)化探測(cè)器的指向跟蹤模式，連續(xù)同步得到半個(gè)地球的熱環(huán)境遙感及其時(shí)間變化信息。“月面對(duì)地觀測(cè)具備長(zhǎng)期一致性、整體性、穩(wěn)定性以及唯一性這幾大優(yōu)勢(shì)，有望成為一個(gè)獨(dú)特的對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)。”平勁松指出。

此外，在空間天氣與環(huán)境的科學(xué)研究和監(jiān)測(cè)方面，比較典型的需求是使用極紫外波段的傳感器，精細(xì)監(jiān)測(cè)地球等離子體層和磁層結(jié)構(gòu)特征，監(jiān)測(cè)地球兩極和電離層上部爆發(fā)輻射的千米波長(zhǎng)電磁波和高層大氣雷電環(huán)境，以及在不同月像狀況下監(jiān)測(cè)這些等離子體層結(jié)構(gòu)、爆發(fā)輻射與太陽風(fēng)和地球磁鞘層之間的耦合關(guān)系。

借力月面裝置 探測(cè)低頻引力波

自上世紀(jì)六十年代起，人類先后在月面設(shè)置了5個(gè)激光反射鏡。天文學(xué)家可以在地球上向設(shè)置在月面的激光反射鏡發(fā)射激光，并捕捉反射回來的光束，進(jìn)行激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，對(duì)地月系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化展開研究。

“這一研究持續(xù)了數(shù)十年。在地月之間38萬公里的距離上，目前距離測(cè)量精度達(dá)到了2—3厘米，速度測(cè)量精度達(dá)到了20微米/秒。”平勁松介紹，該研究發(fā)現(xiàn)月球每年以3.5厘米左右的速度遠(yuǎn)離地球，最早在空間領(lǐng)域驗(yàn)證了廣義相對(duì)論引力延遲效應(yīng)。

有學(xué)者提出，未來借助在月面設(shè)置高性能原子鐘、微波轉(zhuǎn)發(fā)裝置、多普勒測(cè)速儀、相位距離測(cè)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(shí)，借助在月面設(shè)置時(shí)間頻率基準(zhǔn)裝置，可以更有效地通過地月鏈路獲得地球和月球轉(zhuǎn)動(dòng)異常信息，揭示導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)異常的星球內(nèi)部物質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)分布特性。

此外，結(jié)合繞月衛(wèi)星、地球軌道衛(wèi)星和地月激光測(cè)距，科學(xué)家認(rèn)為，將有機(jī)會(huì)檢測(cè)地月空間和繞太陽飛行軌道上是否存在可被感知質(zhì)量的暗物質(zhì)。

搭建月球基地 面臨諸多挑戰(zhàn)

借助空間平臺(tái)開展低頻引力波探測(cè)，假設(shè)測(cè)量精度相同，在更長(zhǎng)的距離和質(zhì)量更大的天體周圍會(huì)獲得更加靈敏的探測(cè)能力。如果在地火、地木、地土距離上開展高精度微波測(cè)量，會(huì)比在地月距離上開展引力理論的驗(yàn)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(xué)設(shè)施，開展科學(xué)探測(cè)的可能性最大。”平勁松認(rèn)為。其中，對(duì)設(shè)備規(guī)模要求不高的月面探測(cè)研究，如地月動(dòng)力學(xué)、對(duì)地空間天氣遙感、月球背面單元低頻射電天文觀測(cè)等，已經(jīng)具備了一定的技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)科學(xué)研究目標(biāo)的技術(shù)可行性相對(duì)較高。

然而，對(duì)于那些需要依靠大規(guī)模設(shè)備開展的月面探測(cè)，無論是依托無人基地還是有人基地，技術(shù)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(duì)地遙感觀測(cè)等，都必須建立在對(duì)月球成熟開發(fā)的基礎(chǔ)上，具備形成月球基地的條件后才有可能實(shí)施。

“可以看出，月球基地本身的建設(shè)技術(shù)，實(shí)際上構(gòu)成了在月球上開展相關(guān)科學(xué)探索最大的技術(shù)瓶頸。”平勁松指出。(記者 唐婷)

關(guān)鍵詞： 望遠(yuǎn)鏡 粒子對(duì)撞機(jī)