找到絕佳的實(shí)驗(yàn)場所，對科學(xué)家來說無疑是夢寐以求的事情之一。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所，并探討了在月球上建造粒子對撞機(jī)等設(shè)施的可能性。

事實(shí)上，不只是粒子對撞機(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)?科技日報(bào)記者就此進(jìn)行了采訪。

設(shè)置天線陣列 捕捉超長電磁波信號

在中國科學(xué)院國家天文臺研究員平勁松看來，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、在月球正面和極區(qū)進(jìn)行對地觀測、開展地月系統(tǒng)動力學(xué)演化研究和廣義相對論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。

在月球背面開展低頻射電天文觀測的優(yōu)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。

由于月球背面永遠(yuǎn)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“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的靈敏度。

“除了建造單臺射電望遠(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，可針對波長超過10米的宇宙或月球空間超長電磁波進(jìn)行探測。

在射電天文領(lǐng)域，對超長波的探測目前幾乎是一個(gè)空白。受地球電離層遮擋，在地球上難以探測到這一波段的宇宙輻射信號。而在地球空間，由于人造衛(wèi)星產(chǎn)生的人工信號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。

對超長射電波的探測，是了解宇宙的一個(gè)重要窗口，有助于科學(xué)家對宇宙黑暗時(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。

月基對地觀測 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)測這一指標(biāo)對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)國家先后發(fā)射了數(shù)十顆專門用于測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，重要原因在于其對地觀測視角有限，而且不是長期穩(wěn)定的觀測平臺，難以對地球進(jìn)行長周期大尺度的連續(xù)觀測。

因此，有必要從一個(gè)全新的角度和途徑來精確觀測地面—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)一步提升對地觀測能力，遙感領(lǐng)域著名學(xué)者郭華東院士曾提出構(gòu)建月基對地觀測平臺，利用傳感器組對地球的宏觀現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測的構(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)置對地球的觀測裝置，可以簡化探測器的指向跟蹤模式，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。“月面對地觀測具備長期一致性、整體性、穩(wěn)定性以及唯一性這幾大優(yōu)勢，有望成為一個(gè)獨(dú)特的對地觀測平臺。”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)測地球等離子體層和磁層結(jié)構(gòu)特征，監(jiān)測地球兩極和電離層上部爆發(fā)輻射的千米波長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)行激光測距實(shí)驗(yàn)，對地月系統(tǒng)動力學(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，目前距離測量精度達(dá)到了2—3厘米，速度測量精度達(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(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)動異常信息，揭示導(dǎo)致轉(zhuǎn)動異常的星球內(nèi)部物質(zhì)及其動力學(xué)分布特性。

此外，結(jié)合繞月衛(wèi)星、地球軌道衛(wèi)星和地月激光測距，科學(xué)家認(rèn)為，將有機(jī)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(zhì)量的暗物質(zhì)。

搭建月球基地 面臨諸多挑戰(zhàn)

借助空間平臺開展低頻引力波探測，假設(shè)測量精度相同，在更長的距離和質(zhì)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(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)探測的可能性最大。”平勁松認(rèn)為。其中，對設(shè)備規(guī)模要求不高的月面探測研究，如地月動力學(xué)、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(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)可行性相對較高。

然而，對于那些需要依靠大規(guī)模設(shè)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(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、月基對地遙感觀測等，都必須建立在對月球成熟開發(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 粒子對撞機(jī)