低頻射電波段的觀測(cè)是揭開宇宙起源的關(guān)鍵，而地球的電離層干擾、人類活動(dòng)噪聲和地理位置限制，讓觀測(cè)這一波段變得困難。于是，科學(xué)家們將目光投向了月球背面，那里或許藏著解開宇宙奧秘的“鑰匙”。

低頻射電望遠(yuǎn)鏡：解鎖宇宙起源的關(guān)鍵

射電望遠(yuǎn)鏡是一種專門用于接收和分析來自宇宙的射電波（無線電波）的天文觀測(cè)設(shè)備。它通過捕捉天體發(fā)出的射電波信號(hào)，幫助科學(xué)家研究宇宙的結(jié)構(gòu)、演化以及各種天體的物理性質(zhì)。而低頻射電望遠(yuǎn)鏡是專門用于觀測(cè)低頻射電波（頻率在幾十兆赫到幾百兆赫之間）的射電望遠(yuǎn)鏡。

當(dāng)前天文學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙起源于一個(gè)質(zhì)量無窮大、溫度無窮高、體積無限小的奇點(diǎn)（大爆炸宇宙論所追溯的宇宙演化的起點(diǎn)）的爆炸，此后誕生了時(shí)間、空間以及基本粒子物質(zhì)。在宇宙膨脹早期，天體尚未形成，宇宙處于簡(jiǎn)單粒子的“一鍋湯”狀態(tài)，只有特定粒子產(chǎn)生的低頻射電電磁波，其他波段的電磁波均不可見，因此被稱為“宇宙黑暗時(shí)期”。此后，宇宙第一批恒星、星系以及大尺度結(jié)構(gòu)開始形成，各種波段的信號(hào)逐漸顯現(xiàn)，低頻射電信號(hào)更加豐富，此時(shí)的宇宙被稱為“黎明時(shí)期”。

然而，這只是當(dāng)前宇宙學(xué)的理論模型，宇宙是否真的從大爆炸到“宇宙黑暗時(shí)期”“黎明時(shí)期”逐漸演化到當(dāng)前狀態(tài)，需要科學(xué)家從觀測(cè)上去證實(shí)。低頻射電波段的觀測(cè)是驗(yàn)證宇宙起源理論的最重要方式。

科學(xué)家已經(jīng)在地球上建造了大量的射電望遠(yuǎn)鏡，我們?yōu)槭裁催€要飛到月球背面去建造低頻射電望遠(yuǎn)鏡呢？

地球“禁錮”

地球大氣的影響

地球大氣層的高處（大于50千米）有一層電離層，是由宇宙高能射線和太陽(yáng)高能輻射轟擊大氣形成的。電離層對(duì)低頻射電波（小于約100兆赫）有顯著的“攔截”作用，這也是無線電通信信號(hào)能在大氣層反射傳播的原因。宇宙早期信號(hào)也會(huì)因電離層被反射或折射，尤其在太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)時(shí)，這種效應(yīng)更明顯，嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡接收宇宙早期信號(hào)。

人類活動(dòng)的干擾

人類的無線電交流信號(hào)頻段與宇宙早期信號(hào)頻段接近或重疊，通信信號(hào)經(jīng)過大氣反射后，會(huì)被望遠(yuǎn)鏡接收，污染數(shù)據(jù)。此外，人造信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于宇宙早期信號(hào)，會(huì)覆蓋宇宙信號(hào)。人類生產(chǎn)活動(dòng)和電子用品，例如電視機(jī)、微波爐、變電站等，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)干擾，影響天文觀測(cè)。隨著科技發(fā)展，地球上的人造干擾越來越多、越來越強(qiáng)。

地理位置的約束

望遠(yuǎn)鏡能分辨的最小結(jié)構(gòu)與接收電磁波的幾何尺寸成正比。地球重力限制了單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的最大極限，而陣列望遠(yuǎn)鏡建設(shè)對(duì)地理位置要求嚴(yán)格，需要大面積平原地帶、良好的交通電路網(wǎng)絡(luò)和大氣抖動(dòng)誤差校正。地球的地理環(huán)境對(duì)望遠(yuǎn)鏡的大小和分布有極大約束。

地球及人類活動(dòng)對(duì)宇宙早期的天文觀測(cè)帶來了不可忽視且難以克服的影響。因此，科學(xué)家將目光投向了地球之外的觀測(cè)“理想國(guó)”——月球背面！

月之暗面

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，被地球潮汐鎖定，一面永遠(yuǎn)朝向地球，另一面永遠(yuǎn)朝向外太空，背面因此適合建造望遠(yuǎn)鏡。月球背面朝向外太空，遭受的隕石撞擊更多，表面更加“坑坑洼洼”。月之暗面建造望遠(yuǎn)鏡有哪些天然優(yōu)勢(shì)呢？

低引力

月球引力只有地球的1/6，理論上能支持更大的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——“中國(guó)天眼”，直徑500米，有效口徑300米；而月球理論上能支持最高口徑約10千米的望遠(yuǎn)鏡。從理論上估算，月球上建造的望遠(yuǎn)鏡靈敏度將至少提高400倍。

此外，月球上到處都是天然的圓形隕石坑，非常適合鋪設(shè)大口徑的望遠(yuǎn)鏡反射面板。由于引力低且無地質(zhì)活動(dòng)，月球表面相對(duì)平整，適合鋪設(shè)大面積的望遠(yuǎn)鏡干涉陣列。

零大氣

月球沒有大氣層（包括電離層），表面是近真空狀態(tài)。這意味著月球?qū)λ须姶挪l段都是全透明的，沒有任何吸收、散射或折射。地球電離層會(huì)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行吸收散射，導(dǎo)致信號(hào)混疊，而月球表面完全規(guī)避了這一不利因素。

零干擾

月之暗面背離地球，繞月衛(wèi)星極少，因此完全屏蔽了各種人造射電干擾。這不僅保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，還排除了未知信號(hào)帶來的誤判。

超低溫

宇宙真空溫度在零下273攝氏度左右，而地球大部分溫度一般在零上，晝夜溫差通常只有十多度，這是因?yàn)榈厍虼髿獾拇嬖?。然而，這種機(jī)制不利于望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)。由于天體信號(hào)通常很弱，電子儀器在將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)，如果溫度過高，電信號(hào)會(huì)夾雜很多電子運(yùn)動(dòng)帶來的漲落（熱噪聲）。

月球表面溫度在沒有太陽(yáng)照射時(shí)約為零下170攝氏度，接近液氮溫度，這意味著月球表面建造望遠(yuǎn)鏡的制冷成本極低，尤其是大型干涉陣列。地球表面的干涉陣列很難實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)望遠(yuǎn)鏡單元進(jìn)行低溫制冷，而月球表面則實(shí)現(xiàn)了干涉陣列的零成本制冷。

“暗面”的“曙光”

我國(guó)科學(xué)家提出，在月球背面建造一個(gè)巨型望遠(yuǎn)鏡陣列的設(shè)想，被稱為“月基平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡”。該陣列工作頻段可覆蓋1～100兆赫波段，包含約7200個(gè)望遠(yuǎn)鏡單元，采用圓環(huán)形陣列布局，分布范圍達(dá)30千米以上。

月之暗面望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及科學(xué)設(shè)備、火箭運(yùn)載、衛(wèi)星通信、人工智能建造、人工智能觀測(cè)以及人工智能數(shù)據(jù)處理等多領(lǐng)域?qū)W科融合。每一個(gè)階段都是高成本的建設(shè)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是高精尖科技的突破。例如，月表晝夜溫差問題、維護(hù)問題、太陽(yáng)及高能粒子對(duì)電子元件的損傷問題，以及月基時(shí)間、空間坐標(biāo)的建立問題等。

月之暗面的射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)在未來將是人類認(rèn)識(shí)宇宙的希望之曙光，其科學(xué)探索將牽引并推動(dòng)多領(lǐng)域科技發(fā)展創(chuàng)新，具有極高的科學(xué)研究意義與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能進(jìn)一步提高我國(guó)的科學(xué)軟實(shí)力和航天尖端科技影響力，值得我們投入更多的關(guān)注?！鞍得妗钡摹笆锕狻奔磳⒌絹恚T多挑戰(zhàn)也會(huì)不斷涌現(xiàn)，期待科學(xué)家在未來勇敢面對(duì)、不斷前行。

（責(zé)任編輯 / 高琳" 美術(shù)編輯 / 周游）