如何去月球背面，“偷听”宇宙的秘密？

低频射电波段的观测是揭开宇宙起源的关键，而地球的电离层干扰、人类活动噪声和地理位置限制，让观测这一波段变得困难。

于是，科学家们将目光投向了月球背面，那里或许藏着解开宇宙奥秘的“钥匙”。

低频射电望远镜

射电望远镜是一种专门用于接收和分析来自宇宙的射电波（无线电波）的天文观测设备。它通过捕捉天体发出的射电波信号，帮助科学家研究宇宙的结构、演化以及各种天体的物理性质。而低频射电望远镜是专门用于观测低频射电波（频率在几十兆赫到几百兆赫之间）的射电望远镜。

当前天文学界的主流观点认为，宇宙起源于一个质量无穷大、温度无穷高、体积无限小的奇点（大爆炸宇宙论所追溯的宇宙演化的起点）的爆炸，此后诞生了时间、空间以及基本粒子物质。

在宇宙膨胀早期，天体尚未形成，宇宙处于简单粒子的“一锅汤”状态，只有特定粒子产生的低频射电电磁波，其他波段的电磁波均不可见，因此被称为“宇宙黑暗时期”。此后，宇宙第一批恒星、星系以及大尺度结构开始形成，各种波段的信号逐渐显现，低频射电信号更加丰富，此时的宇宙被称为“黎明时期”。

然而，这只是当前宇宙学的理论模型，宇宙是否真的从大爆炸到“宇宙黑暗时期”“黎明时期”逐渐演化到当前状态，需要科学家从观测上去证实。低频射电波段的观测是验证宇宙起源理论的最重要方式。

科学家已经在地球上建造了大量的射电望远镜，我们为什么还要飞到月球背面去建造低频射电望远镜呢？

月之暗面

月球是地球唯一的天然卫星，被地球潮汐锁定，一面永远朝向地球，另一面永远朝向外太空，背面因此适合建造望远镜。月球背面朝向外太空，遭受的陨石撞击更多，表面更加“坑坑洼洼”。月之暗面建造望远镜有哪些天然优势呢？

低引力

月球引力只有地球的1/6，理论上能支持更大的望远镜结构。世界最大单口径射电望远镜——“中国天眼”，直径500米，有效口径300米；而月球理论上能支持最高口径约10千米的望远镜。从理论上估算，月球上建造的望远镜灵敏度将至少提高400倍。

此外，月球上到处都是天然的圆形陨石坑，非常适合铺设大口径的望远镜反射面板。由于引力低且无地质活动，月球表面相对平整，适合铺设大面积的望远镜干涉阵列。

零大气

月球没有大气层（包括电离层），表面是近真空状态。这意味着月球对所有电磁波频段都是全透明的，没有任何吸收、散射或折射。地球电离层会对低频信号进行吸收散射，导致信号混叠，而月球表面完全规避了这一不利因素。

零干扰

月之暗面背离地球，绕月卫星极少，因此完全屏蔽了各种人造射电干扰。这不仅保证了数据质量，还排除了未知信号带来的误判。

超低温

宇宙真空温度在零下273摄氏度左右，而地球大部分温度一般在零上，昼夜温差通常只有十多度，这是因为地球大气的存在。然而，这种机制不利于望远镜观测。由于天体信号通常很弱，电子仪器在将电信号转换成数字信号时，如果温度过高，电信号会夹杂很多电子运动带来的涨落（热噪声）。

月球表面温度在没有太阳照射时约为零下170摄氏度，接近液氮温度，这意味着月球表面建造望远镜的制冷成本极低，尤其是大型干涉阵列。地球表面的干涉阵列很难实现对每个望远镜单元进行低温制冷，而月球表面则实现了干涉阵列的零成本制冷。

“暗面”的“曙光”

我国科学家提出，在月球背面建造一个巨型望远镜阵列的设想，被称为“月基平方公里阵列望远镜”。该阵列工作频段可覆盖1～100兆赫波段，包含约7200个望远镜单元，采用圆环形阵列布局，分布范围达30千米以上。

月之暗面望远镜的建设是一个极其复杂的系统性工程，涉及科学设备、火箭运载、卫星通信、人工智能建造、人工智能观测以及人工智能数据处理等多领域学科融合。每一个阶段都是高成本的建设，每一个环节都是高精尖科技的突破。例如，月表昼夜温差问题、维护问题、太阳及高能粒子对电子元件的损伤问题，以及月基时间、空间坐标的建立问题等。

月之暗面的射电望远镜探测在未来将是人类认识宇宙的希望之曙光，其科学探索将牵引并推动多领域科技发展创新，具有极高的科学研究意义与社会经济效益，同时也能进一步提高我国的科学软实力和航天尖端科技影响力，值得我们投入更多的关注。“暗面”的“曙光”即将到来，诸多挑战也会不断涌现，期待科学家在未来勇敢面对、不断前行。

责任编辑｜赵青云 岳袅（实习）

运营编辑｜赵青云

质量审核 | 王维嘉 李雅欣

图文来源 | 《知识就是力量》杂志《飞到月球背面建望远镜》，撰文/袁懋（中国科学院国家空间科学中心），原文有删改，原创作品转载请注明来源。

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