李忠東

引力波是大質(zhì)量天體對周圍時空擾動導致的時空漣漪，就像在平靜的水里丟下一塊石頭，會激起層層漣漪向四周擴散。它是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”，直到2015年，人類才首次探測到它的存在。2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀的宇宙事件發(fā)出的電磁信號。那是在美國東部時間同年8月17日8時41分（北京時間20時41分），美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）和歐洲“處女座”（Virgo）引力波探測器捕捉到了這個引力波信號。此后2秒，美國費米太空望遠鏡觀測到同一來源發(fā)出的伽馬射線暴。這是人類歷史上第一次使用引力波天文臺和電磁波望遠鏡同時觀測到同一個天體物理事件，標志著以多種觀測方式為特點的多信使天文學進入一個新時代。

擬議中的“宇宙學引力波月球觀測站”（GLOC）布局

在此之前，LIGO引力波探測器于2015年9月和12月，以及2017年1月先后3次單獨探測到引力波，它均由雙黑洞合并產(chǎn)生。高頻引力波可能是由合并前的原始黑洞之一發(fā)出的。而這些原始黑洞還沒有被最終證明是存在的。據(jù)推測，原始黑洞是在宇宙大爆炸的幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生的，并可能成為星系中心的超大質(zhì)量黑洞的“種子”。之后科學家又進行了幾十次探測，大部分是由LIGO這樣的設施進行的，它可以探測到頻率在30到7000赫茲之間的引力波。

引力波經(jīng)常會被地震、交通和其他人類活動產(chǎn)生的背景波所淹沒，因而探測起來十分棘手。為了探測到微弱的引力波，我們必須使用極為靈敏的干涉儀。然而，干涉儀越靈敏，就越容易被干擾。為此，我們必須給引力波探測器安排真空的環(huán)境，防止空氣分子的干擾。即便如此，它也會受到地震的干擾。而且由于干涉儀靈敏度驚人，即使科學家感受不到的小地震，也會導致他們誤以為接收到了引力波信號。通過研究月球上的自然條件，科學家認為，最具挑戰(zhàn)性的引力波頻譜可以在月球表面更好地進行探測，這在地球上或太空中幾乎是不可能完成的。

月球表面具有一些在地球上很難復制的優(yōu)勢特性。首先，目前月球上尚無人類活動，即使未來載人任務增加，仍然有足夠的空間來建立一個遠離喧囂的地方。其次，月震要比地震弱得多，頻率也低得多。最后，月球處于一個高度真空的環(huán)境，這意味著探測裝置不需要像地球上那樣放在真空管中。即使是位于地下深處的LIGO和Virgo引力波探測器，其真空環(huán)境都遠不如月球表面的純凈，仍容易受到周圍環(huán)境的噪音和振動的影響。這些因素意味著在月球表面建立的引力波基礎(chǔ)設施，可能比任何地球上的探測器都要靈敏得多，能探測到地球上的設施幾乎無法探測到的頻率范圍。

為此，美國范德堡大學天體物理學家卡蘭·賈尼和哈佛大學科學教授阿維·勒伯領(lǐng)導的研究團隊，首次提出了在月球表面這個更安靜的新地點建立引力波基礎(chǔ)設施的設想。它被稱為“宇宙學引力波月球觀測站”（GLOC），旨在利用月球的環(huán)境和月心軌道來分析整個宇宙可觀測體積的近70%內(nèi)的黑洞、中子星和暗物質(zhì)候選體的合并。這個引力波探測器可以捕捉0.1～5赫茲的引力波，能探測黑洞和中子星合并事件，尋找暗物質(zhì)候選體。月球表面能夠探測到的引力波頻率下限至少比地表探測器小2個數(shù)量級。

2020年4月7日，美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）提交了一個富有科技感和未來感的新計劃，他們打算在月球背面的環(huán)形山中建立一個直徑為1千米的“月球環(huán)形山射電望遠鏡”（LCRT），將利用月球表面的環(huán)形山作為自然的射電拋物面天線來放大信號。科學家構(gòu)想的出發(fā)點，是充分利用月背位置的巨大優(yōu)勢，收集地球上因干擾而無法收到的信號。這些信號存在于無線電頻譜的超長波長中，人類在地球上探索宇宙時基本上無法觀測到。

LCRT可以完全避免來自地球的無線電干擾，并且在月背入夜之后還可以屏蔽來自太陽的無線電干擾，使望遠鏡的觀測效果達到最佳。除此之外，因為月球的引力只有地球的六分之一，所以完全可以把LCRT建設成一個口徑很大的超級望遠鏡。

在地球上，存在不少干擾射電望遠鏡觀測的因素。一是地表上空存在電離層，當信號的波長較長時，電離層就會把信號遮擋住。二是地球上手機通信、雷達、衛(wèi)星等發(fā)出的人造信號太多，且比來自宇宙的信號要強幾百萬倍，對望遠鏡觀測造成干擾。倘若避開這些干擾源所使用的波段，的確能達到減少干擾的目的，但同時也意味著望遠鏡的觀測存在死角，無法覆蓋某些波段的信號，致使來自宇宙的某些信號無法被捕捉。

相較而言，LCRT能在沒有大氣的月背發(fā)現(xiàn)微弱的信號，為超長波的研究提供便利。超長波的波長在10至50米頻段內(nèi)。這個波長對應宇宙早期的黑暗時代，是宇宙誕生之初的樣子。那時的宇宙信號距離我們很遙遠，傳遞到地球的時候已經(jīng)相當微弱。要想對超長波頻段進行科學探索，只能寄希望于空曠的太空或者寧靜的月球背面。

根據(jù)美國宇航局的設想，LCRT建成以后的直徑比500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）要長一倍，天線接受面積增大3倍，可以觀測到早期宇宙輻射。它將幫助科學家更進一步地揭示銀河系和星系團的結(jié)構(gòu)、宇宙射線的加速和傳播，了解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成，探索宇宙的起源。

多年來，研究人員一直在尋找外星信號，而在月背建設的LCRT有助于擴大尋找范圍，發(fā)現(xiàn)那些被地球干擾而埋沒的信號。LCRT可以監(jiān)聽到來自宇宙深處的信息，而不用擔心與周邊電磁環(huán)境相混淆，也就不會出現(xiàn)把微波爐信號當成是宇宙信號這樣令人惋惜的謬誤了。如果宇宙中真的存在外星文明，并且外星人也會發(fā)送無線電波的話，那么LCRT就很可能會接收到外星信號。有人認為，如果未來真的在月球上成功安裝了LCRT，那么將會成為人類尋找外星文明的里程碑式事件。

物理學家夢想著在月球上建立一個『月球粒子對撞機』

為了揭示最微小的亞原子粒子的奧秘，物理學家必須使粒子加速器和探測器的溫度盡可能低，并去除多余空氣，才能獲得可靠的結(jié)果。有物理學家提出，月球?qū)嶋H上是一個很適合進行高能物理研究的場所，并提出建造“月球粒子對撞機”的設想。

這是因為月球表面的溫度非常低，且不存在大氣，沒有介質(zhì)把陽光的熱量從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方。月夜，當太陽落到月球地平線以下時，溫度會降到-73℃，正好在地球上典型的低溫實驗設置范圍內(nèi)。月晝，月球溫度會升高一些，達到38℃以上，但在沒有陽光直射的地方仍是寒冷的。如月球隕石坑的陰影中就隱藏著水冰。在粒子加速器中，超導磁體的作用在于將粒子拋入加速器，使其達到接近光速的速度，低溫確保了超導磁體不會自行熔化。而探測器的溫度越高，從亞原子粒子中篩選出微小信號時所要處理的噪音就越大，因為更多的熱量相當于更多的分子振動，也就等于更多的噪音。

除了溫度低，月球不存在大氣層也是一個重要優(yōu)勢。在地球上，物理學家必須把粒子加速器和探測器里的空氣全部抽出來。月球的真空環(huán)境比物理學家在實驗室中制造的任何真空條件都要好10倍以上，而且是純天然的，無須付出任何努力。