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我们能把望远镜放在月球背面吗?

 博科园 2020-02-15

【博科园-科学科普】有人想在月球的另一边建造一个天文台吗?目前小UV-sensitive望远镜在月球上,落在2013年作为中国的一部分着陆器嫦娥3号,它采取了一些有趣的图片从月球中继回到我们但它是被放置在月球附近,随着探测器以便于与地球通讯。

LROC WAC颜色(689 nm,415 nm,321 nm)在WAC日落BW图像上重叠。注意到着陆地点接近红色和蓝色的玛丽亚。图片版权:NASA/GSFC/Arizona State University

一般来说月球被认为是放置望远镜的一个有趣的地方,因为它是一块稳定的地面,周围没有大气干扰望远镜。有许多波长的光,目前只能从轨道太空望远镜观测到——紫外线主要被我们的大气层阻挡,如伽玛辐射和红外线。所以如果你能在月球表面放置一个紫外线望远镜(就像中国的着陆器一样),你就有了一个不需要陀螺仪来稳定望远镜的装置,它可以在不受地球大气干扰的情况下自由观察。

月球并不是放置所有望远镜的理想场所——你的望远镜必须非常耐用,才能在日光和阴影之间的极端温度下存活下来。温度从- 298f到224F这对电子产品来说并不是一个特别好的地方。温度超过400度每两周一次就不是为懦弱者准备的。

国际天文学联合会的第312号环形山地区,一个阿波罗11号的偏斜图,直径约30英里。图片版权:NASA

月球上的光学望远镜也同样棘手——每个月都有两周的时间,望远镜在白天不管你把它放在哪里。这架望远镜必须在极端高温下存活两周,然后冷却下来然后才能观察到最多两个星期。红外摄像机更合适,红外望远镜上的热照相机对热量非常敏感(通过设计),没有能够完全屏蔽太阳的照相机,就像我们为太空望远镜所做的那样,探测器在几个月的温度周期后很可能会不高兴。

尤其在月球的另一边,有一个额外的复杂因素——在月球的远端很难与任何事物进行交流。无线电波无法到达它所以轨道飞行器在月球背面(从地球的角度来看)已经习惯了通讯中断。只有一种类型的天文台,这是一个明确的好处——无线电。

在地球上几乎所有的事物都与无线电波长中的天体物理源的清晰观测相干扰。从雷达,到手机,到微波,到GPS卫星通讯,再到数码相机,都将干扰来自太空的信号。一般来说唯一的解决办法是把射电望远镜离尽可能多的东西远远的。但是月球的远端是由月球的整个大部分屏蔽的,而且它确实是一个没有干扰的区域,可以放一个射电望远镜。

这不是问题或者我们已经有了月球射电望远镜。对于射电望远镜来说,温度的压力仍然很大。一种选择是在月球陨石坑内建造一种像Arecibo这样的盘子,但这将是一个技术上的挑战,在月球上没有更重要的人类存在。然而一些射电望远镜可以很好地使用简单的电子设备。例如LOFAR望远镜分散在欧洲各地,主要由大量非常简单的天线组成,而不是由复杂的机器组成,这些天线是由新墨西哥的大型阵列天线组成的。原则上我们可以将类似的简单天线分散到月球远端,并创建一个非常大的射电望远镜。

照片显示低频段天线(LBA)的低频阵列(LOFAR),一种干涉式射电望远镜在欧洲建立。在天线的右后方,可以看到一个LOFAR客舱,里面有电子设备。整个阵列由数千个这样的天线组成。图片版权:A. R. Offringa, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

另一方面我们仍然希望得到数据。从月球的远端直接发射,就像轨道飞行器可以证明的那样是不可能的。那么我们怎样才能把数据传回地球呢?你的两种选择是一种重载的电缆,它在月球上延伸到足够远的地方,地球是可见的,如果你能感觉到世界各地的工程师在畏缩,别担心——这不是首选的解决方案。更好的解决方案是将一颗通讯卫星送入环绕月球的轨道,其主要作用将是在月球地面上的望远镜与地球之间进行通信,而地球在轨道上又能看到。虽然这些通信可能是对望远镜的干扰的来源,但只要望远镜不再试图看到远处的物体,而它的通讯却在头顶上,它就不会成为一个问题。

除了开发一种在月球上部署大量天线的方法之外,目前的主要挑战就是成本。虽然我们目前还没有火箭可以把人类送上月球,但近年来我们确实已经将轨道飞行器送上了月球。然而这是昂贵的而且NASA的预算越来越受到限制,将望远镜的资金聚集在月球的另一边将是主要的限制因素。

作者:Jillian Scudder (物理与天文学助理教授)

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