飞到月球背面建望远镜

低频射电波段的观测是揭开宇宙起源的关键，而地球的电离层干扰、人类活动噪声和地理位置限制，让观测这一波段变得困难。于是，科学家们将目光投向了月球背面，那里或许藏着解开宇宙奥秘的“钥匙”。

低频射电望远镜：解锁宇宙起源的关键

射电望远镜是一种专门用于接收和分析来自宇宙的射电波（无线电波）的天文观测设备。它通过捕捉天体发出的射电波信号，帮助科学家研究宇宙的结构、演化以及各种天体的物理性质。而低频射电望远镜是专门用于观测低频射电波（频率在几十兆赫到几百兆赫之间）的射电望远镜。

当前天文学界的主流观点认为，宇宙起源于一个质量无穷大、温度无穷高、体积无限小的奇点（大爆炸宇宙论所追溯的宇宙演化的起点）的爆炸，此后诞生了时间、空间以及基本粒子物质。在宇宙膨胀早期，天体尚未形成，宇宙处于简单粒子的“一锅汤”状态，只有特定粒子产生的低频射电电磁波，其他波段的电磁波均不可见，因此被称为“宇宙黑暗时期”。此后，宇宙第一批恒星、星系以及大尺度结构开始形成，各种波段的信号逐渐显现，低频射电信号更加丰富，此时的宇宙被称为“黎明时期”。

然而，这只是当前宇宙学的理论模型，宇宙是否真的从大爆炸到“宇宙黑暗时期”“黎明时期”逐渐演化到当前状态，需要科学家从观测上去证实。低频射电波段的观测是验证宇宙起源理论的最重要方式。

科学家已经在地球上建造了大量的射电望远镜，我们为什么还要飞到月球背面去建造低频射电望远镜呢？

地球“禁锢”

地球大气的影响

地球大气层的高处（大于50千米）有一层电离层，是由宇宙高能射线和太阳高能辐射轰击大气形成的。电离层对低频射电波（小于约100兆赫）有显著的“拦截”作用，这也是无线电通信信号能在大气层反射传播的原因。宇宙早期信号也会因电离层被反射或折射，尤其在太阳活动爆发时，这种效应更明显，严重影响望远镜接收宇宙早期信号。

人类活动的干扰

人类的无线电交流信号频段与宇宙早期信号频段接近或重叠，通信信号经过大气反射后，会被望远镜接收，污染数据。此外，人造信号强度远高于宇宙早期信号，会覆盖宇宙信号。人类生产活动和电子用品，例如电视机、微波炉、变电站等，也会产生强干扰，影响天文观测。随着科技发展，地球上的人造干扰越来越多、越来越强。

地理位置的约束

望远镜能分辨的最小结构与接收电磁波的几何尺寸成正比。地球重力限制了单个望远镜的最大极限，而阵列望远镜建设对地理位置要求严格，需要大面积平原地带、良好的交通电路网络和大气抖动误差校正。地球的地理环境对望远镜的大小和分布有极大约束。

地球及人类活动对宇宙早期的天文观测带来了不可忽视且难以克服的影响。因此，科学家将目光投向了地球之外的观测“理想国”——月球背面！

月之暗面

月球是地球唯一的天然卫星，被地球潮汐锁定，一面永远朝向地球，另一面永远朝向外太空，背面因此适合建造望远镜。月球背面朝向外太空，遭受的陨石撞击更多，表面更加“坑坑洼洼”。月之暗面建造望远镜有哪些天然优势呢？

低引力

月球引力只有地球的1/6，理论上能支持更大的望远镜结构。世界最大单口径射电望远镜——“中国天眼”，直径500米，有效口径300米；而月球理论上能支持最高口径约10千米的望远镜。从理论上估算，月球上建造的望远镜灵敏度将至少提高400倍。

此外，月球上到处都是天然的圆形陨石坑，非常适合铺设大口径的望远镜反射面板。由于引力低且无地质活动，月球表面相对平整，适合铺设大面积的望远镜干涉阵列。

零大气

月球没有大气层（包括电离层），表面是近真空状态。这意味着月球对所有电磁波频段都是全透明的，没有任何吸收、散射或折射。地球电离层会对低频信号进行吸收散射，导致信号混叠，而月球表面完全规避了这一不利因素。

零干扰

月之暗面背离地球，绕月卫星极少，因此完全屏蔽了各种人造射电干扰。这不仅保证了数据质量，还排除了未知信号带来的误判。

超低温

宇宙真空温度在零下273摄氏度左右，而地球大部分温度一般在零上，昼夜温差通常只有十多度，这是因为地球大气的存在。然而，这种机制不利于望远镜观测。由于天体信号通常很弱，电子仪器在将电信号转换成数字信号时，如果温度过高，电信号会夹杂很多电子运动带来的涨落（热噪声）。

月球表面温度在没有太阳照射时约为零下170摄氏度，接近液氮温度，这意味着月球表面建造望远镜的制冷成本极低，尤其是大型干涉阵列。地球表面的干涉阵列很难实现对每个望远镜单元进行低温制冷，而月球表面则实现了干涉阵列的零成本制冷。

“暗面”的“曙光”

我国科学家提出，在月球背面建造一个巨型望远镜阵列的设想，被称为“月基平方公里阵列望远镜”。该阵列工作频段可覆盖1～100兆赫波段，包含约7200个望远镜单元，采用圆环形阵列布局，分布范围达30千米以上。

月之暗面望远镜的建设是一个极其复杂的系统性工程，涉及科学设备、火箭运载、卫星通信、人工智能建造、人工智能观测以及人工智能数据处理等多领域学科融合。每一个阶段都是高成本的建设，每一个环节都是高精尖科技的突破。例如，月表昼夜温差问题、维护问题、太阳及高能粒子对电子元件的损伤问题，以及月基时间、空间坐标的建立问题等。

月之暗面的射电望远镜探测在未来将是人类认识宇宙的希望之曙光，其科学探索将牵引并推动多领域科技发展创新，具有极高的科学研究意义与社会经济效益，同时也能进一步提高我国的科学软实力和航天尖端科技影响力，值得我们投入更多的关注。“暗面”的“曙光”即将到来，诸多挑战也会不断涌现，期待科学家在未来勇敢面对、不断前行。

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 / 周游）