各国计划在月球背面建造望远镜，以寻求天文学的进一步突破
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月球背面是进行天文学的有吸引力的地方。资料来源：美国宇航局/厄尼赖特
月球探测正在复兴。由多个太空机构组织的数十项任务 - 以及越来越多的商业公司 - 将在本十年末访问月球。其中大部分将涉及小型机器人航天器，但美国宇航局雄心勃勃的阿尔忒弥斯计划旨在在本世纪中期将人类送回月球表面。
所有这些活动都有各种原因，包括地缘政治姿态和寻找月球资源，例如月球两极的水冰，可以提取并转化为火箭的氢和氧推进剂。然而，科学也肯定是主要的受益者。
月球仍然有很多关于太阳系的起源和演化的信息。它作为观测天文学的平台也具有科学价值。
今年早些时候，英国皇家学会的一次会议上讨论了地球天然卫星天文学的潜在作用。会议本身的部分原因是现在有望更多地进入月球表面。
远端优势
几种类型的天文学将受益。最明显的是射电天文学，它可以从月球总是背对地球的一侧进行 - 远端。
月球背面永久屏蔽了地球上人类产生的无线电信号。在月球夜晚，它也受到保护免受太阳的影响。这些特征使它可能是整个太阳系中最“无线电安静”的位置，因为没有其他行星或月球具有永久背对地球的一面。因此，它非常适合射电天文学。
无线电波是电磁能的一种形式，例如红外线、紫外线和可见光波也是如此。它们的定义是在电磁波谱中具有不同的波长。
波长超过约15m的无线电波被地球电离层阻挡。但是这些波长的无线电波可以畅通无阻地到达月球表面。对于天文学来说，这是电磁波谱中最后一个未探索的区域，最好从月球背面进行研究。
艺术家对月球上的LuSEE-Night射电天文学实验的概念。资料来源：美国宇航局/特里西娅·塔尔伯特
在这些波长下对宇宙的观测属于“低频射电天文学”的范畴。这些波长是唯一能够探测早期宇宙结构的独特能力，尤其是宇宙“黑暗时代”——第一个星系形成之前的时代。
当时，宇宙中的大部分物质，除了神秘的暗物质，都是中性氢原子的形式。它们发射和吸收特征波长为21cm的辐射。自1950年代以来，射电天文学家一直在利用这一特性来研究我们银河系中的氢云。
由于宇宙在不断膨胀，早期宇宙中氢产生的21cm信号已经转移到更长的波长。结果，来自宇宙“黑暗时代”的氢将以大于10m的波长出现在我们面前。月球背面可能是我们唯一可以研究这一点的地方。
天文学家杰克·伯恩斯（Jack Burns）在最近的皇家学会会议上对相关科学背景进行了很好的总结，称月球背面是一个“原始，安静的平台，可以对早期宇宙的黑暗时代以及与宜居系外行星相关的空间天气和磁层进行低射频观测。
来自其他恒星的信号
正如伯恩斯所说，远侧射电天文学的另一个潜在应用是试图探测来自被磁场（磁层）捕获的带电粒子的无线电波，这些粒子是围绕其他恒星运行的行星。
这将有助于评估这些系外行星承载生命的能力。来自系外行星磁层的无线电波的波长可能大于100m，因此它们需要在太空中具有无线电安静的环境。同样，月球背面将是最佳位置。
对于试图检测来自智能外星人的信号，也可以提出类似的论点。而且，通过打开无线电频谱中未探索的部分，也有可能偶然发现新现象。
当NASA的LuSEE-Night任务在2025年或2026年降落在月球背面时，我们应该了解这些观测的潜力。
月球两极永久阴影的陨石坑最终可能会容纳红外望远镜。资料来源：LROC / ASU / NASA
火山口深度
月球也为其他类型的天文学提供了机会。天文学家在自由空间运行的光学和红外望远镜方面拥有丰富的经验，例如哈勃望远镜和JWST。然而，月球表面的稳定性可能为这些类型的仪器带来优势。
此外，月球两极的陨石坑没有阳光。在红外波长下观察宇宙的望远镜对热非常敏感，因此必须在低温下工作。例如，JWST需要一个巨大的遮阳板来保护它免受太阳光线的伤害。在月球上，天然的陨石坑边缘可以免费提供这种屏蔽。
月球的低重力也可能使建造比自由飞行卫星更大的望远镜成为可能。这些考虑导致天文学家Jean-Pierre Maillard提出月球可能是红外天文学的未来。
永久阴影陨石坑的寒冷，稳定的环境也可能有利于下一代仪器探测引力波 - 由恒星爆炸和黑洞碰撞等过程引起的时空“涟漪”。
此外，数十亿年来，月球一直受到来自太阳的带电粒子（太阳风）和银河宇宙射线的轰击。月球表面可能包含这些过程的丰富记录。研究它们可以深入了解太阳和银河系的演化。
由于所有这些原因，天文学将从当前月球探索的复兴中受益。特别是，随着月球探索的进行，天文学可能会受益于在月球上建立的基础设施。这将包括进入地面的交通基础设施 - 火箭，着陆器和其他车辆，以及现场建造和维护天文仪器的人类和机器人。
但这里也存在一种紧张关系：月球背面的人类活动可能会产生不必要的无线电干扰，而从阴影陨石坑中提取水冰的计划可能会使这些陨石坑难以用于天文学。正如我和我的同事最近所指出的那样，我们需要确保在这个月球探索的新时代，对天文学具有独特价值的月球位置得到保护。
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。
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原标题：《『各国计划在月球背面建造望远镜，以寻求天文学的进一步突破》
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