為什麼科學家總想去月球建望遠鏡，地球不香嗎？

2023-04-01 06:28:52

#423頭條知識節# #科學有真理#

為了探索廣闊的宇宙，科學家們想出了無數的方法，花了無數的錢建造了無數的設備，天文望遠鏡就是其中之一。

望遠鏡是如何工作的？

說到望遠鏡，許多人自然會想到望遠鏡。它們真的很普通也很便宜。更好更貴的望遠鏡通常用於觀鳥，而狂熱的天文學家花費數萬元購買觀察星星的望遠鏡。

不管是業餘的還是專業的，昂貴的還是便宜的，光學望遠鏡的原理都是一樣的:一套光學透鏡用來收集遠處的光線，形成一幅圖像，放大遠處的場景，使細節更加清晰。

光學望遠鏡的原理

天文學家經常嘲笑昂貴的設備，因為這些望遠鏡幾乎不足以觀察月球，拍著銀河系或星雲，但它們對天文學研究沒有什麼價值。在天文臺的大個子面前，這些東西就像玩具一樣。

光學天文望遠鏡

天文望遠鏡接收光線。隨著科學家對光理解的加深，他們發現光實際上是電磁波，肉眼可見的可見光只是宇宙星光光譜的一小部分。大多數天體發出的伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線、微波和波長更長的無線電波充滿了我們的宇宙，但所有這些光都不能被我們的光學望遠鏡單獨看到。

可見光只是電磁波譜的一小部分。

例如，星系中最廣泛存在的氫原子發射1420兆赫的電磁波；。甲醇和水的激子頻率分別為6GHz、12 GHz和23GHz。大分子氨在恆星形成區發出的光波頻率也約為23千兆赫。為了探索宇宙中的這些物質，我們不能使用傳統的光學望遠鏡，而是需要無線電望遠鏡來接收電磁波。

口徑就是正義。

「口徑就是正義」通常用在軍事上。這意味著你的大炮口徑越大，你的炮彈就能飛得越遠，你就越能控制戰爭的主動權。在天文觀測中使用這個句子沒有錯。

在光學天文望遠鏡時代，科學家們不遺餘力地建造越來越大的望遠鏡，但是我們的地球有著厚厚的大氣層，這大大降低了光學望遠鏡的成像效果。最後，人們發現直徑只有2.4米的哈勃望遠鏡比直徑10米的地面望遠鏡清晰得多。

哈勃也空望遠鏡不受大氣幹擾

當然，如果不是因為財政上的限制，科學家們早就計劃將哈勃望遠鏡的直徑做成3米。

射電望遠鏡受大氣衍射的影響要小得多。理論上，它們可以做得更大，以便接收更多的電磁波信號。

然而，單個大口徑射電望遠鏡不僅昂貴，而且由於地球重力場的影響，建造起來極其困難。到目前為止，只有中國在貴州建造了直徑500米的球形射電望遠鏡。由於主鏡固定在地面上，FAST不能移動，只能通過移動饋源艙來跟蹤和定位目標。因此，FAST使用的反射表面的實際直徑約為300米。然而，它仍然是世界上最大的單射電望遠鏡。

快速直徑達到500米

在沒有超大射電望遠鏡的前提下，科學家們想出了一種獲得「更大孔徑」和更高觀測精度的方法——利用幾個較小的射電望遠鏡天線組成一個陣列，並利用無線電幹擾形成一個虛擬的大孔徑望遠鏡天線，從而獲得更高的信號解析度。

射電望遠鏡陣列

理論上，超大直徑射電望遠鏡可以用超長基線無線電幹擾來模擬，其直徑相當於地球的直徑。2019年，經過長時間的觀察和複雜的計算，世界上許多國家和地區的許多射電望遠鏡合作獲得了世界上第一張黑洞的「照片」。事實上，射電望遠鏡不能拍照。它接收的只是一些無線電信號。只有通過科學家對無線電信號的解釋和複雜的計算，人們才能恢復遙遠天體的圖像。此外，這個圖像所代表的不是可見光信息，而是由某些特定元素輻射的信號。

利用節點虛擬超大口徑射電望遠鏡

地球上的幹擾

儘管射電望遠鏡接收到的大多數電磁波可以在主電磁波波段(波長7.5釐米~ 15米)內順利穿過地球大氣層，但地球表面的電磁環境對天文學家來說並不完美。

一方面，地球本身存在磁場，地球內部的電磁波被大氣電離層反射，在低頻帶形成嚴重的雜波幹擾；與此同時，地球表面的許多無線電通信設備發射複雜的電磁波信號，其中一些還會在電離層中來回反射，形成幹擾波。數千顆人造衛星在地球大氣層外運行。這些衛星有時會穿過望遠鏡的視角，它們也會發射電磁波。因此，射電望遠鏡需要過濾掉各種複雜的無線電波，而那些來自遙遠星系的微弱信號也會被抹去。

地球本身就是電磁波的幹擾源。

為了消除地面雜波的幹擾，科學家們被迫將目光轉向太空，試圖為遠離地球的射電望遠鏡找到一個「乾淨」的立足點。月球背面是如此理想的地方。

月球的優勢

作為地球上唯一的衛星，月球總是以大約360，000公裡的距離圍繞地球運行。由於潮汐力的作用，月球的旋轉速度基本上與它圍繞地球旋轉的角速度相同，這意味著月球的一側總是面向地球，而其另一側的大約90%在地球上是看不見的。背向地球的一面叫做「月球背面」。

月亮總是有一面背向地球。

由於地球與月球的距離相對較遠，它就像一個巨大的過濾器，用來屏蔽地球上的電磁波，而且很少有人造衛星繞著月球飛行，所以月球的背面幾乎不受地球電磁雜波的幹擾。事實上，自1964年以來，天文學家一直夢想在這裡建造大型射電望遠鏡。

1992年，美國休斯公司計劃在月球背面的查佩爾斯環形山建造一個巨大的橢圓形天線，並發射一顆中繼衛星到地球和月球上的拉格朗日L2。他們設計了8年，但沒有成功。

1993年、1997年和2015年，美國和歐洲分別啟動了ILFOSS計劃、VLFA計劃和FARSIDE計劃。他們都想在月球背面建造射電望遠鏡，最後他們都毫無例外地離開了。

嫦娥4號

嫦娥4號攜帶了一架射電望遠鏡

到目前為止，唯一一個在月球背面成功建造了深度空探測平臺的是中國的嫦娥四號月球探測器。

2018年底，嫦娥四號成功降落在月球背面艾特肯盆地馮卡門撞擊坑預選的著陸區。它同時攜帶四個超低頻無線電觀測設備，頻率範圍為0.1兆赫至40兆赫，頻譜解析度為5千赫至100千赫，動態範圍超過75分貝。與此同時，我們的科學家與荷蘭聯合開發了低頻探測器NCLE。NCLE號安裝在喜鵲橋中繼衛星上，用於探測宇宙黑暗時代的信號、太陽系各行星的極光輻射、確定該位置的微波輻射強度，以及研究地球的電離層等。所有這些實驗都已成功進行，並獲得了大量的科學數據。