月球望远镜的前世今生_风闻

翻译：张砚斌

校对: 王婧彧 王茸 杨伯顺 张宇辰

审阅：牧夫校对组

后台：库特莉亚夫卡 李子琦

好几代天文学家一直梦想着在月球背面建造一台望远镜。这个梦想也许不久就可以实现了。

曾经在美国登月计划期间就职于阿波罗科学控制中心的月球科学家Richard Vondrak提出了一个很久远的想法：可以利用月球上的环形山建造像波多黎各的阿雷西博天文台一样的射电望远镜。上图为关于三台望远镜单独工作或者组成一个大型设备的艺术概念图。

Credit:NASA

射电天文学家眼中的地球是一个很嘈杂的地方。许多的电子设备泄露出无线电信号，对射电天文台造成干扰。数十年来，不可见光污染迫使射电天文台把称为“射电宁静区”的区域扩大。这就让射电天文学家更加远离人群，去往像智利的阿塔卡马沙漠一样荒凉的地方。

但是并不是只有人造设备才会阻碍微弱的无线电信号。地球或者太阳产生的一些自然现象也会带来干扰。雪上加霜的是，地球电离层彻底阻挡了波长最长的无线电波到达地球表面（地球电离层是指地球大气分子被太阳辐射电离的区域）。

科学家们已经关注月亮背面很久了。因为它背对着地球，安装在月球背面的射电望远镜几乎能够彻底地摆脱掉地球产生的射频干扰。这样的话，天文学家就可以研究很多在地球上，甚至连地球轨道空间望远镜都无法观察到的现象。月球上的望远镜能够让我们看到宇宙诞生之初所发生的事情，或者让我们能够看到遥远的系外行星的电磁场，揭示能够孕育生命的极端微妙的基础物质。 

“月球背面的这种射电宁静环境能够实现一些在其他环境下没办法实现的极端敏感测量，”目前就职于航天公司“蓝色起源”的行星科学家Steve Squvres表示，“这种环境非常有利于取得突破性科学进展。”

阿波罗16号的望远镜

阿波罗16号搭载了一台镀金的紫外望远镜。宇航员曾经用它拍摄了178张宇宙照片。George Carruthers(右)和海军研究所的一名项目主管William Conway, 正在测试不久会成为第一台月基天文台的望远镜（就是阿波罗16号上的那一台）。

Credit: U.S. Naval Research Laboratory

第一台登陆月球的望远镜并不是射电望远镜，但是它依然为人类解锁了地球上观测不到的那部分宇宙。

这个设备被称为远紫外线相机/光谱仪，是由一位名为George

Carruthers的年轻研究员在海军研究实验室设计的。在此之前，他便在紫外线光谱观测领域上表现出色，最终成为了这个领域的翘楚。紫外线被地球大气过滤掉了大部分，所以，和许多其他无线电光谱部分一样，只能从太空中研究。在1969年7月20日阿波罗11号成功登月之后， NASA就召集了各学术组织来进行一系列可以为未来月球计划服务的科学实验。

于是Corruthers就提出了紫外望远镜。在1972年4月，这台望远镜跟随着阿波罗16号一起降落在了月球上。宇航员使用这个镀金的设备拍摄了178张宇宙图片，捕捉到了遥远的恒星云、星云，甚至地球外层大气。尽管处于概念验证阶段的紫外线望远镜完成了它的基本目标，但是把下台望远镜送到月球上就是41年后的事情了。

中国的月球望远镜

2019年，我国嫦娥四号飞船是第一个实现月球背面软着陆的飞行器。这张照片是由玉兔2号巡回车拍摄的。

Credit: CNSA

经历了很长一段时间后，在2013年，我国国家宇航局终于把望远镜送回了月球。但是这一次，不需要宇航员。这是有史以来第一台远程操控的月球望远镜，它是作为嫦娥3号着落器的附加设备被运上去的。

作为直径只有15厘米的月基紫外望远镜（LUT）， 它和天文学家一直梦想送到月球上的设备差距甚远。但是即使这样的大小，LUT能够观测到的波长也能提供独特的宇宙视角，而且没有受到来自地球的干扰。

我国科学家使用LUT收集了数千小时时长的数据，追踪恒星甚至星系。或许更重要的是，望远镜稳定的表现也会服务于未来任务。

去年，继LUT之后，我国宇航局向月球发射了一个小的射电望远镜。在2019年1月份上旬，被称为“低频射电分光仪”的仪器跟着嫦娥4号着陆器落在了月球背面。

我国科学家已经使用这个望远镜开始了之前未被研究过的射电波长观测到的宇宙。然而，由于这个设备有限的能力，观测只局限于邻近的宇宙空间。

关于未来月球望远镜的畅想

天文学家们希望月球科学观测能和未来的月球基地联系起来，尽管这目前看起来遥不可及。

Credit:NASA

捕捉到之前难以观测的射电波是天文学家一直以来的梦想。40年以前，科学家就已经开始认真地思考不同的月球望远镜可能会观测到什么，又该如何建造它们。

在此之后，根据NASA的一份标题为“未来月球宇航观测站”的文件，科学家意识到月球提供了一个独特的有利位置，可能会帮我们打开超低频电磁光谱的最后一扇窗户。

在上世纪80年代初，阿波罗任务已经沦为十年前的历史了，但迅速发展的航天飞机项目看起来相当成功。这再次引发了重返月球的讨论。研究人员希望这些发展可以最终使月球基地成为现实，进而可以使可持续的科研设施落地月球。

 “我们能想到把科学仪器放到月球上的唯一方法，就是跟着宇航员一起”，科罗拉多大学博尔德分校的天文学家Jack O.Burns说。他曾经担任NASA资助的NESS(勘探与空间科学网络)主管，并且数十年间都是建造月球望远镜的先锋人物。

现在，多亏了现代机器人和私人航天公司的出现，Burns第一次认为这一天马行空的想法将会成为现实。他的学生现在正从事于远程操作机器人和机器学习算法。这些东西在上世纪80年代都是不敢想象的，他说“科技在迎头赶上，或许这正是我们需要的。”

由于这些先进技术，月球望远镜就不再需要宇航员建筑成员的参与和一千亿美元的空间项目支持。取而代之的是，它们（指望远镜）能够通过目前正在发展的私人火箭把探测车送上去来建造。

FARSIDE望远镜

FARSIDE望远镜将会借助“蓝色起源”的蓝月着落器到达月球，然后使用探测器开展连接射电天线网络的任务。

Credit: NASA/JPL-Caltech/Jack O. Burns, Univ. of Colorado, Boulder

Burns和他的同事最近刚刚完成了NASA赞助的关于探测器上部署射电望远镜的研究。预计这个望远镜将会在10公里的范围内，天女散花般辐射出128根天线。他们把这个项目称为“对黑暗年代和系外行星进行无线电科学调查的远地阵列(Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets)”，或者简称为FARSIDE。

FARSIDE将会研究遥远恒星周围的磁场，以此来帮助天文学家们更好的理解哪一颗系外行星适宜居住。这台望远镜也让天文学家们第一次真正有机会去研究早期宇宙的一个关键时期 ——“黑暗年代”。在这一时期，恒星和星系都还没有形成，所以研究者们看不到在这个时间段存在的任何物质。

NASA也资助了另一项研究。这项研究的目的就是在月球的环形山内部建造一个阿雷西博（FAST之前最大的射电望远镜）风格的射电望远镜。该项目由喷气推进实验室的机器人学家Saptarshi Bandyopadhyay领导。在花费三年尝试了各式各样的望远镜设计之后，他最近收到了NASA超前概念机构对这个项目继续资助的资金。

虽然各种各样关于月球望远镜的设想比以往更加接近现实，但是“我们依旧有很长的路要走”，Bandyopadhyay说。

但是Burns却很乐观。他现在正在杰夫·贝佐斯的太空公司“蓝色起源”工作。该公司已经建造了一辆载重可达5吨的月球登陆器。这就足够证明“蓝色起源”有能力承担FARSIDE的任务。他们现在所需要的就是10亿美元的资金。

 “三十年以前，这不可能的；但是今天，它几乎就是现成品。”

原文链接：

https://astronomy.com/news/2020/06/the-history-and-future-of-telescopes-on-the-moon

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