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下一代望远镜建在哪里?唯有月球最完美,多个望远镜正在计划中

2020/7/31 21:36:30 来源:原创 浏览:

你可能想象不到,拥有一个月球,对于人类来说是多么重要的一件事。

对于古人来说,它是神话,是传说,也是每个中秋节、元宵节时不可错过的美景。对于现代人来说,月球是我们理解太阳系的关键,是重要的研究对象。在未来,它甚至将要成为我们的工具,为人类提供一个不能更完美的环境,进行更加高深的天文探索。

科学家相信,如果我们想为下一代天文望远镜选择一个架设地,没有哪里比月球更加完美了。具体来说,是月球的背面。

令人期待的月球望远镜

早在1972年4月21日,NASA的阿波罗16号就曾经携带过一台紫外望远镜,并且拍摄了178张宇宙照片。

  • 嫦娥四号:就在此刻,我国的嫦娥四号,也在月球背面观测着宇宙。它的主要任务的确是对月球进行研究,但同时也进行着一些其他方面的研究。比如说,鹊桥号中继星就在利用接收器收集宇宙中的微弱信号,探索宇宙黑暗时代的秘密。

(图片说明:嫦娥四号)

当然了,这只是顺带手的事。更值得期待的,是未来更加先进的大型望远镜。

  • LCRT:LCRT全称是月球环形射电望远镜(Lunar Crater Radio Telescope),是由NASA的先进创新概念项目组提出的一项非常有价值的项目。他们计划,在月球背面的一座环形山上,利用两组着陆设备,建设起一架口径达到1000米的巨大射电望远镜。这个望远镜的口径,是中国天眼的2倍,观测能力也更加强大。不过,虽然获得了第一笔投资,但这个项目10年内未必会真正展开;

(图片说明:LCRT的预想图)

(图片说明:LCRT的架设流程图)

  • 终极望远镜:这是德克萨斯大学奥斯汀分校天文学系的研究人员Anna Schauer提出的一个概念,他认为人类在2050年将具备足够的能力在月球表面建设起一台口径达到100米的光学望远镜。它的口径的确比中国天眼小得多,但二者完全不是一个概念。对于光学望远镜来说,100米已经极其惊人,而且能力远远超过我们的想象。

那么,为何科学家们都在考虑去月球建造望远镜呢?那里究竟有什么好处呢?

完美的屏蔽

在望远镜被发明之后,人类满足于视野的拓展,以为自己能看到整个宇宙。后来才发现,我们的观测能力实在有限。然而,当望远镜的口径越来越大、观测越来越灵敏的时候,却发现它所受到的干扰也越来越多。而这些干扰,都有一个共同的来源——地球。具体来说,干扰分为两类——

  1. 地球大气层:它的湍动会给观测带来巨大的麻烦,这在天文学上叫做视宁度;同时,它也会屏蔽掉很多波长的电磁波,为此我们不得不将望远镜送上太空。
  2. 地球电磁信号:这也来自两点,第一是人类的电子设备,为了屏蔽掉这些干扰,很多望远镜都建在了远离市井的无人区,比如中国天眼,就建设在贵州的山沟沟里;然而,即便没有人类的电子设备,地球自己也是有磁场的,即使是脱离大气层的太空望远镜,也很难避免地球磁场带来的干扰。

(图片说明:为了尽量屏蔽电磁干扰,中国天眼建在了深山之中)

说起来的确有点尴尬,我们生活在地球上,却又想摆脱地球的干扰和束缚。鱼和熊掌兼得的美食,会有吗?

有,那就是月球背面。月球有着3746公里的直径,凭借着它庞大的身躯,就可以屏蔽地球的电磁干扰。更加完美的是,月球已经被地球潮汐锁定,它永远都只有一面朝向地球,另一面永远背向地球。也就是说,如果我们在月球背面建设望远镜,就永远不必担心它会转过来重新受到地磁场的干扰。

而且,月球也并不是很远。虽然目前并不现实,但是以人类的科技,我们可以看到一个在月球建设望远镜的未来。因此,不论从哪个角度来看,月球都是下一代望远镜最完美的选址。因此,科学家们才又提出了另一个新的计划——引力波月球宇宙学天文台(GLOC)。

引力波月球宇宙学天文台

提出这个计划的,是来自范德堡大学的天体物理学家Karan Jani博士,以及哈佛大学Frank B. Baird Jr.科学教授Abraham Loeb。他们指出,月球是我们探测引力波的绝佳地点,在这里建设望远镜应该是阿尔忒弥斯计划(美国重启的月球探索项目,包括重新实施载人登月)的一部分来准备和实施。

顾名思义,GLOC的主要工作就是探测引力波。引力波是爱因斯坦的广义相对论所预言的一个现象,指的是两个极大质量的天体在碰撞时会产生时空的涟漪。自从被证实之后,引力波就一直是科学家们用来探索宇宙的重点,这样的极端事件正是我们了解宇宙极端现象的最佳工具。

(图片说明:通过引力波带来的时空涟漪,我们可以探索宇宙最深处的秘密)

但是,引力波的探测是极其困难的,否则也不会在爱因斯坦预言的100年后才被人类发现。为了测量到微弱的引力波,我们必须要极为灵敏的干涉仪。然而干涉仪越灵敏,就越容易被干扰,这就像我们刚才提到的一样。就好像马云永远体会不到兜里的十块钱零钱丢了的痛苦,而精打细算的你网购的物品涨价一块钱都会抓心挠肝一样。

为此,我们必须给引力波探测器安排真空的环境,防止空气分子的干扰。即便如此,它也会受到地震的干扰,而且由于惊人的灵敏度,即使我们完全感受不到的小地震,也会导致科学家误以为受到了引力波信号

月球完全没有这样的担忧,它本就处于一个高度真空的环境,即使是地表最强的引力波探测器LIGOvirgo,其真空管都远不如月球表面的真空度。而且月球表面不活跃,没有地质运动。因此,月球表面能够探测到的引力波频率下限至少比地表探测器小两个数量级,范围非常广

(图片说明:月球表面的环形山)

GLOC能做什么

科学家指出:我们曾经一度非常依赖可见光范围的探测,后来发现电磁波的范围非常广,于是又开始从红外波段、X射线波段等范围内进行新的探索。但利用电磁波探索宇宙会面临一个问题,那就是天体之间的互相遮挡。比如我们的银河系,在位于银心另一侧的位置到底有什么,我们无法观测,因为它们都被银心挡住了。另外,像黑洞这样不发光的天体,我们也同样无法探测。

但是,引力波就不会面临这个问题,它是我们了解许多宇宙极端现象的最有力工具。一旦GLOC被建立起来,我们可以通过引力波观测到许多我们不曾看见的宇宙。

  • 中等质量黑洞:这是介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的一种天体,目前几乎没有相关发现,导致黑洞出现了断档,这是我们研究黑洞的关键;
  • 宇宙膨胀速度:根据哈勃定律,宇宙膨胀速度取决于哈勃常数,也就是说,通过引力波,我们有机会确定哈勃常数,也就是宇宙膨胀的速度;
  • 超新星内部:关于超新星,我们还有很多不了解的东西,这种极端的天体,必须依赖这种极端现象才能研究;
  • 哈勃张力:这是目前科学家在不同的宇宙模型中遇到的最严重问题,我们目前对宇宙的理解还相当有限,因此不得不构建宇宙模型来描述这个宇宙,然而不同的宇宙模型下对宇宙的各项参数计算也得出了不同的结果,因此我们需要更多的观测来确定问题出在哪里。

(图片说明:宇航员在月球上执行阿尔忒弥斯计划艺术图)

看得出来,这些问题一个比一个巨大,它们都是关系着天体甚至宇宙命运的谜题。而它能解决的问题,远不止这些。由此可见,我们多么需要引力波帮助我们去理解这个宇宙。

更重要的是,相比于以往阿波罗计划和目前正在推进的阿尔忒弥斯计划,看起来都是送人上月球-采样-返回地球的单调操作。这个过程的确很伟大,但是一点也不“可持续”。而在月球表面建立望远镜,将可以让我们持续利用月球进行科学研究,这样的回报是非常巨大的。所以,Loeb明确指出:“在月球上进行科学探索的时机已经成熟了!”

(图片说明:月球表面)

他之所以这样说,就在于NASA此刻正在把月球探索以及火星探索作为最重要的任务来执行。他们不仅立志要重现载人登月的壮举,还要建立月球空间站。种种迹象表明,他们正在准备开发月球。鉴于我们完全定居在月球上还不太现实,那么建立科学设备将是开发月球的首要目标。既然如此,月球基地的天文望远镜自然是首选。

当然,关于月球的天文望远镜设想已经很多了。但Loeb等人还是希望,NASA能够把引力波的探测作为重点来考虑,那将带来“最好的科学回报”。

总结

关于月球,已经有如此多的机缘巧合,让我们感慨自然对于地球和地球生物的恩宠。它能让我们看到最完美的日食;永远只有一面对着我们;减缓了地球的自转从而给生物提供了一个稳定的生活环境。如今,它又给了我们一个完美的天文学观测基地,如果我们能够成功在月球背面建设大量功能各异的天文望远镜,将会对我们的天文学进步起到极其重要的作用,这也是人类科技实现突破的最大关键之一。

目前来说,我们甚至还不了解月球是如何形成的。宇宙中发生的任何事,都充满了无数偶然因素。不论它是如何成为地球卫星的,我们都该感谢促成这一事实的偶然因素。未来有一天,如果人类冲出了太阳系,前去探索更广远的宇宙,别忘了回过头来,对月球表示一下感恩。

看看网友怎么说

v17672451676:应该建在彗星上,

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