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为什么科学家总想去月球建望远镜,地球不香吗?

时间:2020-04-18 10:09:43 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

#423头条知识节# #科学有真理#

为了探索广阔的宇宙,科学家们想出了无数的方法,花了无数的钱建造了无数的设备,天文望远镜就是其中之一。

望远镜是如何工作的?

说到望远镜,许多人自然会想到望远镜。它们真的很普通也很便宜。更好更贵的望远镜通常用于观鸟,而狂热的天文学家花费数万元购买观察星星的望远镜。

不管是业余的还是专业的,昂贵的还是便宜的,光学望远镜的原理都是一样的:一套光学透镜用来收集远处的光线,形成一幅图像,放大远处的场景,使细节更加清晰。

光学望远镜的原理

天文学家经常嘲笑昂贵的设备,因为这些望远镜几乎不足以观察月球,拍着银河系或星云,但它们对天文学研究没有什么价值。在天文台的大个子面前,这些东西就像玩具一样。

光学天文望远镜

天文望远镜接收光线。随着科学家对光理解的加深,他们发现光实际上是电磁波,肉眼可见的可见光只是宇宙星光光谱的一小部分。大多数天体发出的伽马射线、X射线、紫外线、红外线、微波和波长更长的无线电波充满了我们的宇宙,但所有这些光都不能被我们的光学望远镜单独看到。

可见光只是电磁波谱的一小部分。

例如,星系中最广泛存在的氢原子发射1420兆赫的电磁波;。甲醇和水的激子频率分别为6GHz、12 GHz和23GHz。大分子氨在恒星形成区发出的光波频率也约为23千兆赫。为了探索宇宙中的这些物质,我们不能使用传统的光学望远镜,而是需要无线电望远镜来接收电磁波。

口径就是正义。

“口径就是正义”通常用在军事上。这意味着你的大炮口径越大,你的炮弹就能飞得越远,你就越能控制战争的主动权。在天文观测中使用这个句子没有错。

在光学天文望远镜时代,科学家们不遗余力地建造越来越大的望远镜,但是我们的地球有着厚厚的大气层,这大大降低了光学望远镜的成像效果。最后,人们发现直径只有2.4米的哈勃望远镜比直径10米的地面望远镜清晰得多。

哈勃也空望远镜不受大气干扰

当然,如果不是因为财政上的限制,科学家们早就计划将哈勃望远镜的直径做成3米。

射电望远镜受大气衍射的影响要小得多。理论上,它们可以做得更大,以便接收更多的电磁波信号。

然而,单个大口径射电望远镜不仅昂贵,而且由于地球重力场的影响,建造起来极其困难。到目前为止,只有中国在贵州建造了直径500米的球形射电望远镜。由于主镜固定在地面上,FAST不能移动,只能通过移动馈源舱来跟踪和定位目标。因此,FAST使用的反射表面的实际直径约为300米。然而,它仍然是世界上最大的单射电望远镜。

快速直径达到500米

在没有超大射电望远镜的前提下,科学家们想出了一种获得“更大孔径”和更高观测精度的方法——利用几个较小的射电望远镜天线组成一个阵列,并利用无线电干扰形成一个虚拟的大孔径望远镜天线,从而获得更高的信号分辨率。

射电望远镜阵列

理论上,超大直径射电望远镜可以用超长基线无线电干扰来模拟,其直径相当于地球的直径。2019年,经过长时间的观察和复杂的计算,世界上许多国家和地区的许多射电望远镜合作获得了世界上第一张黑洞的“照片”。事实上,射电望远镜不能拍照。它接收的只是一些无线电信号。只有通过科学家对无线电信号的解释和复杂的计算,人们才能恢复遥远天体的图像。此外,这个图像所代表的不是可见光信息,而是由某些特定元素辐射的信号。

利用节点虚拟超大口径射电望远镜

地球上的干扰

尽管射电望远镜接收到的大多数电磁波可以在主电磁波波段(波长7.5厘米~ 15米)内顺利穿过地球大气层,但地球表面的电磁环境对天文学家来说并不完美。

一方面,地球本身存在磁场,地球内部的电磁波被大气电离层反射,在低频带形成严重的杂波干扰;与此同时,地球表面的许多无线电通信设备发射复杂的电磁波信号,其中一些还会在电离层中来回反射,形成干扰波。数千颗人造卫星在地球大气层外运行。这些卫星有时会穿过望远镜的视角,它们也会发射电磁波。因此,射电望远镜需要过滤掉各种复杂的无线电波,而那些来自遥远星系的微弱信号也会被抹去。

地球本身就是电磁波的干扰源。

为了消除地面杂波的干扰,科学家们被迫将目光转向太空,试图为远离地球的射电望远镜找到一个“干净”的立足点。月球背面是如此理想的地方。

月球的优势

作为地球上唯一的卫星,月球总是以大约360,000公里的距离围绕地球运行。由于潮汐力的作用,月球的旋转速度基本上与它围绕地球旋转的角速度相同,这意味着月球的一侧总是面向地球,而其另一侧的大约90%在地球上是看不见的。背向地球的一面叫做“月球背面”。

月亮总是有一面背向地球。

由于地球与月球的距离相对较远,它就像一个巨大的过滤器,用来屏蔽地球上的电磁波,而且很少有人造卫星绕着月球飞行,所以月球的背面几乎不受地球电磁杂波的干扰。事实上,自1964年以来,天文学家一直梦想在这里建造大型射电望远镜。

1992年,美国休斯公司计划在月球背面的查佩尔斯环形山建造一个巨大的椭圆形天线,并发射一颗中继卫星到地球和月球上的拉格朗日L2。他们设计了8年,但没有成功。

1993年、1997年和2015年,美国和欧洲分别启动了ILFOSS计划、VLFA计划和FARSIDE计划。他们都想在月球背面建造射电望远镜,最后他们都毫无例外地离开了。

嫦娥4号

嫦娥4号携带了一架射电望远镜

到目前为止,唯一一个在月球背面成功建造了深度空探测平台的是中国的嫦娥四号月球探测器。

2018年底,嫦娥四号成功降落在月球背面艾特肯盆地冯卡门撞击坑预选的着陆区。它同时携带四个超低频无线电观测设备,频率范围为0.1兆赫至40兆赫,频谱分辨率为5千赫至100千赫,动态范围超过75分贝。与此同时,我们的科学家与荷兰联合开发了低频探测器NCLE。NCLE号安装在喜鹊桥中继卫星上,用于探测宇宙黑暗时代的信号、太阳系各行星的极光辐射、确定该位置的微波辐射强度,以及研究地球的电离层等。所有这些实验都已成功进行,并获得了大量的科学数据。

嫦娥四号利用鹊桥卫星在月球背面实现信号传输

美国宇航局的愿景

随着嫦娥四号的成功,世界各地的科学家重新燃起了在月球上建立一个深度空探索基地的希望。不久前,2020年4月初,美国宇航局赞助了一个名为LCRT的研究项目。

LCRT是“月球环形山射电望远镜”的缩写。计划在月球背面发现一个直径3~5公里的陨石撞击坑,并利用撞击坑的自然抛物线内壁建造一个望远镜反射面。如果建成,它将在中国贵州超过FAST,成为世界上最大、最灵敏的射电望远镜。

LCRT计划

LCRT设想建造一台望远镜,可以探测频率低于30兆赫的电磁波。由于其大口径,通过在50米波段(即30兆赫波段)观察早期宇宙,也有可能实现宇宙学的巨大科学发现。由于地球大气层对波长大于15米的电磁波是不透明的,这是迄今为止人类所知的宇宙空白色区域。

贵州的500米快速射电望远镜造价约为1亿美元,这对于每转几十亿美元的天文设备来说是微不足道的。然而,如果巨大的望远镜建在遥远的月球上,资本和技术将成为巨大的障碍。

为了省钱,LCRT团队计划将几个机器人发射到月球上,让机器人在陨石坑中编织一个直径超过1公里的金属网,然后用四面悬挂的绳索连接饲料舱接收信号。信号经过处理后,由地球卫星上的拉格朗日L2点的中继卫星传回地球。嫦娥四号也做了同样的事情。

用机器人建造射电望远镜

地球不再芬芳了吗?

与遥远的月球相比,地球显然占据着有利的天气和地理位置的优势。只要我们有足够的钱,我们可以很容易地找到这个地点,找到像FAST这样的喀斯特地貌,建造一个巨大的射电望远镜。事实上,FAST只是计划中的第一个巨型射电望远镜阵列。

地球最大的缺点在于日益严重的电磁波污染。大气层中的电离层反射电磁波,屏蔽我们需要的电磁波信号。同时,越来越多的小卫星也是天文学家无法摆脱的噩梦。

所有这些麻烦都不存在于月球上,那里最大的优势是清洁。

但是月球的缺点也很明显,那就是技术复杂,不容易实现,而且相当昂贵。长期以来,人们一直认为美国宇航局的125,000美元将足以吸引最多几个百分点。在未来相当长的一段时间内,我们将看不到建在月球上的巨型望远镜。

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