找到絕佳的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所,，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)無(wú)疑是夢(mèng)寐以求的事情之一,。近日，天體物理學(xué)家保羅·薩特撰寫(xiě)的《物理學(xué)家為什么想要在月球上建造粒子對(duì)撞機(jī),？》一文引發(fā)天文愛(ài)好者關(guān)注。文中介紹,，今年早些時(shí)候,，研究人員發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv.org上的一篇文章認(rèn)為，月球是一個(gè)非常適合進(jìn)行高能物理研究的場(chǎng)所,，并探討了在月球上建造粒子對(duì)撞機(jī)等設(shè)施的可能性,。

　　事實(shí)上，不只是粒子對(duì)撞機(jī),，此前科學(xué)家還提出過(guò)在月球上建射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想,。那么，哪些科學(xué)研究適合在月球開(kāi)展,？科學(xué)家們?nèi)绱饲嗖A月球的原因有哪些,？在月球上建科學(xué)設(shè)施面臨哪些挑戰(zhàn)？科技日?qǐng)?bào)記者就此進(jìn)行了采訪,。

　　設(shè)置天線陣列 捕捉超長(zhǎng)電磁波信號(hào)

　　在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松看來(lái),，在月面開(kāi)展的科學(xué)研究，極具吸引力且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目主要包括：在月球背面開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè),、在月球正面和極區(qū)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè),、開(kāi)展地月系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化研究和廣義相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。

　　在月球背面開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn),。沒(méi)有地球磁層和電離層對(duì)超長(zhǎng)波電磁輻射的阻擋干擾,，在月球背面可以相對(duì)容易地接收到來(lái)自宇宙空間這一波長(zhǎng)的電磁信號(hào)。

　　由于月球背面永遠(yuǎn)不會(huì)朝向地球,，來(lái)自地球及其空間的電磁波輻射被月球本體所阻擋,，所以月背是地月空間中一處非常難得的“凈土”，電磁環(huán)境十分安靜,、少人工干擾,。

　　在滿月前后的半個(gè)月中，通常太陽(yáng)的超長(zhǎng)波射電輻射爆發(fā)也被月球本體所屏蔽,，可進(jìn)一步去除背景雜音,，更加有利于提升射電天文觀測(cè)的靈敏度,。

　　“除了建造單臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡之外，設(shè)置天線陣列是另一個(gè)可考慮的方向,?！逼絼潘山榻B，在月球背面設(shè)置天線陣列,，可針對(duì)波長(zhǎng)超過(guò)10米的宇宙或月球空間超長(zhǎng)電磁波進(jìn)行探測(cè),。

　　在射電天文領(lǐng)域，對(duì)超長(zhǎng)波的探測(cè)目前幾乎是一個(gè)空白,。受地球電離層遮擋,，在地球上難以探測(cè)到這一波段的宇宙輻射信號(hào)。而在地球空間,，由于人造衛(wèi)星產(chǎn)生的人工信號(hào)和部分來(lái)自地面的輻射干擾過(guò)強(qiáng)等原因,，同樣難以捕捉到該波段信號(hào)。

　　對(duì)超長(zhǎng)射電波的探測(cè),，是了解宇宙的一個(gè)重要窗口,，有助于科學(xué)家對(duì)宇宙黑暗時(shí)代和黎明時(shí)代的演化特性、銀河系在這一波段的全天域輻射圖等有更多的了解與認(rèn)知,。

　　月基對(duì)地觀測(cè) 全新視角看地球

　　氣候變化直接關(guān)系到人類(lèi)的生存與發(fā)展。地面—大氣系統(tǒng)輻射能量收支體現(xiàn)了地球吸收和釋放能量的多少,，完備連續(xù)地監(jiān)測(cè)這一指標(biāo)對(duì)研究全球氣候變化至關(guān)重要,。

　　從上世紀(jì)七十年代末期開(kāi)始，多個(gè)國(guó)家先后發(fā)射了數(shù)十顆專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量太陽(yáng)和地球輻射的人造地球衛(wèi)星,。然而,，人造地球衛(wèi)星存在一些不足，重要原因在于其對(duì)地觀測(cè)視角有限,，而且不是長(zhǎng)期穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái),，難以對(duì)地球進(jìn)行長(zhǎng)周期大尺度的連續(xù)觀測(cè)。

　　因此,，有必要從一個(gè)全新的角度和途徑來(lái)精確觀測(cè)地面—大氣系統(tǒng)輻射能量收支,，進(jìn)而探究全球氣候變化機(jī)理。為進(jìn)一步提升對(duì)地觀測(cè)能力,，遙感領(lǐng)域著名學(xué)者郭華東院士曾提出構(gòu)建月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái),，利用傳感器組對(duì)地球的宏觀現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)的構(gòu)想。

　　作為地球唯一的自然衛(wèi)星,，月球的自轉(zhuǎn)被地球潮汐鎖定,，正面永遠(yuǎn)朝向地球，在月球正面設(shè)置對(duì)地球的觀測(cè)裝置,，可以簡(jiǎn)化探測(cè)器的指向跟蹤模式,，連續(xù)同步得到半個(gè)地球的熱環(huán)境遙感及其時(shí)間變化信息,。“月面對(duì)地觀測(cè)具備長(zhǎng)期一致性,、整體性,、穩(wěn)定性以及唯一性這幾大優(yōu)勢(shì)，有望成為一個(gè)獨(dú)特的對(duì)地觀測(cè)平臺(tái),?！逼絼潘芍赋觥?/p>

　　此外,，在空間天氣與環(huán)境的科學(xué)研究和監(jiān)測(cè)方面,，比較典型的需求是使用極紫外波段的傳感器，精細(xì)監(jiān)測(cè)地球等離子體層和磁層結(jié)構(gòu)特征,，監(jiān)測(cè)地球兩極和電離層上部爆發(fā)輻射的千米波長(zhǎng)電磁波和高層大氣雷電環(huán)境,，以及在不同月像狀況下監(jiān)測(cè)這些等離子體層結(jié)構(gòu)、爆發(fā)輻射與太陽(yáng)風(fēng)和地球磁鞘層之間的耦合關(guān)系,。

　　借力月面裝置 探測(cè)低頻引力波

　　自上世紀(jì)六十年代起,，人類(lèi)先后在月面設(shè)置了5個(gè)激光反射鏡。天文學(xué)家可以在地球上向設(shè)置在月面的激光反射鏡發(fā)射激光,，并捕捉反射回來(lái)的光束,，進(jìn)行激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，對(duì)地月系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化展開(kāi)研究,。

　　“這一研究持續(xù)了數(shù)十年,。在地月之間38萬(wàn)公里的距離上，目前距離測(cè)量精度達(dá)到了2—3厘米,，速度測(cè)量精度達(dá)到了20微米/秒,。”平勁松介紹,，該研究發(fā)現(xiàn)月球每年以3.5厘米左右的速度遠(yuǎn)離地球,，最早在空間領(lǐng)域驗(yàn)證了廣義相對(duì)論引力延遲效應(yīng)。

　　有學(xué)者提出,，未來(lái)借助在月面設(shè)置高性能原子鐘,、微波轉(zhuǎn)發(fā)裝置、多普勒測(cè)速儀,、相位距離測(cè)量裝置等,，有希望在地月空間的微波或激光鏈路上開(kāi)展空間低頻引力波的探索。

　　同時(shí),，借助在月面設(shè)置時(shí)間頻率基準(zhǔn)裝置,，可以更有效地通過(guò)地月鏈路獲得地球和月球轉(zhuǎn)動(dòng)異常信息，揭示導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)異常的星球內(nèi)部物質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)分布特性,。

　　此外,，結(jié)合繞月衛(wèi)星,、地球軌道衛(wèi)星和地月激光測(cè)距，科學(xué)家認(rèn)為,，將有機(jī)會(huì)檢測(cè)地月空間和繞太陽(yáng)飛行軌道上是否存在可被感知質(zhì)量的暗物質(zhì),。

　　搭建月球基地 面臨諸多挑戰(zhàn)

　　借助空間平臺(tái)開(kāi)展低頻引力波探測(cè)，假設(shè)測(cè)量精度相同,，在更長(zhǎng)的距離和質(zhì)量更大的天體周?chē)鷷?huì)獲得更加靈敏的探測(cè)能力,。如果在地火、地木,、地土距離上開(kāi)展高精度微波測(cè)量,，會(huì)比在地月距離上開(kāi)展引力理論的驗(yàn)證更有利。

　　“但從可及性,、成本和天然條件等因素綜合考慮,，和其他天體相比，在月球上搭建科學(xué)設(shè)施,，開(kāi)展科學(xué)探測(cè)的可能性最大,。”平勁松認(rèn)為,。其中,，對(duì)設(shè)備規(guī)模要求不高的月面探測(cè)研究，如地月動(dòng)力學(xué),、對(duì)地空間天氣遙感,、月球背面單元低頻射電天文觀測(cè)等，已經(jīng)具備了一定的技術(shù)條件,，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)科學(xué)研究目標(biāo)的技術(shù)可行性相對(duì)較高。

　　然而,，對(duì)于那些需要依靠大規(guī)模設(shè)備開(kāi)展的月面探測(cè),，無(wú)論是依托無(wú)人基地還是有人基地，技術(shù)上仍存在許多瓶頸,。包括搭建高能物理裝置,、月背低頻射電天文巨型陣列、月基對(duì)地遙感觀測(cè)等,，都必須建立在對(duì)月球成熟開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上,，具備形成月球基地的條件后才有可能實(shí)施。

　　“可以看出,，月球基地本身的建設(shè)技術(shù),，實(shí)際上構(gòu)成了在月球上開(kāi)展相關(guān)科學(xué)探索最大的技術(shù)瓶頸?！逼絼潘芍赋?。（記者 唐婷）

【糾錯(cuò)】

責(zé)任編輯： 劉陽(yáng)