找到完美的实验场所,无疑是科学家梦寐以求的事情之一。最近,天体物理学家保罗·萨特写道,物理学家为什么要在月球上建造粒子对撞机?”引起了天文爱好者的注意。文章称,今年早些时候,研究人员在预印数据库arxiv上发表了一篇文章,认为月球是非常适合高能物理研究的地方,并讨论了在月球上建造粒子对撞机等设施的可能性。

[科学技术]望远镜、粒子对撞机……科学家想把这些设备搬上月球

事实上,不仅是粒子对撞机,科学家们也提出了在月球上建造射电望远镜的想法。那么,什么科学研究适合月球呢?科学家如此喜欢月球的原因是什么?在月球上建造科学设施有哪些挑战?《科技日报》记者进行了采访。

设置天线阵列捕捉超长电磁波信号

中国科学院国家天文台研究员平劲松表示,月球表面吸引人且相对容易实现的科学研究主要包括:月球背面低频射电天文观测、月球正面和极地地球观测、地月系统动态演化研究、广义相对论验证实验。

月球背面的低频射电天文观测优势明显。在不阻挡地球磁层和电离层对超长波电磁辐射的干扰的情况下,在月球背面可以相对容易地接收到来自宇宙空的这种波长的电磁信号。

由于月球背面永远不会面对地球,来自地球及其空的电磁波辐射被月球本身阻挡,因此月球背面是地球和月球空之间非常罕见的“净土”,电磁环境非常安静,几乎没有人为干扰。

在满月前后的半个月内,太阳的超长波射电发射爆发通常被月球本身屏蔽,可以进一步去除背景噪声,提高射电天文观测的灵敏度。

“除了建造一个单一的射电望远镜,建立一个天线阵列是另一个需要考虑的方向。”平劲松介绍说,在月球背面安装天线阵列可以探测宇宙中波长超过10米的超长电磁波,或者在月球空.

在射电天文学领域,目前对超长波的探测几乎是一空白。由于地球的电离层,很难在地球上探测到这个波段的宇宙辐射信号。然而,在地球空,由于人造卫星产生的人造信号和来自地面的一些辐射的强烈干扰,也很难捕获该波段的信号。

对超长无线电波的探测是了解宇宙的重要窗口,有助于科学家更好地了解和认知宇宙的黑暗时代和黎明明时代的演化特征,以及银河系在该波段的全天辐射格局。

从月球地球观测的新视角看地球

气候变化直接关系到人类的生存和发展。地表-大气系统的辐射能量收支反映了地球吸收和释放的能量数量,全面、连续地监测这一指标对于研究全球气候变化非常重要。

自20世纪70年代末以来,许多国家已经发射了几十颗人造地球卫星,专门用于测量太阳和地球的辐射。然而,人造地球卫星也有一些缺点,重要的原因是它对地球的观测角度有限,并且不是一个长期稳定的观测平台,因此很难对地球进行长期大规模的连续观测。

因此,有必要从一个全新的角度和途径来准确观测地表-大气系统的辐射能量收支,进而探索全球气候变化机制。为了进一步增强对地观测能力,遥感领域的著名学者郭华东院士曾提出了建立月球对地观测平台,利用传感器组监测地球宏观现象的设想。

月球作为地球唯一的天然卫星,它的自转是被地球潮汐锁定的,正面永远对着地球。在月球正面设置观测装置,可以简化探测器的指向和跟踪方式,连续同步获取半个地球的热环境遥感及其时间变化信息。“月地观测具有长期一致性、完整性、稳定性和独特性等多种优势,有望成为一个独特的地球观测平台。”平劲松指出。

此外,在空之间的天气和环境的科学研究和监测中,典型的需求是使用极紫外波段传感器监测地球等离子体层和磁层的结构特征,监测地球两极和上电离层爆炸辐射发射的千米波长的电磁波以及高层大气中的闪电环境,并监测这些等离子体层结构、爆炸辐射和太阳风以及地球磁鞘在不同月球条件下的耦合关系

利用月球表面装置探测低频引力波

自20世纪60年代以来,人类已经在月球表面建立了五面激光镜。天文学家可以在地球上向设置在月球表面的激光镜发射激光,捕捉反射光束,进行激光测距实验,研究地月系统的动态演化。

“这项研究已经持续了几十年。在地球与月球之间38万公里的距离上,目前的测距精度达到了2-3厘米,测速精度达到了20微米/秒。”据平劲松介绍,研究发现月球以每年约3.5厘米的速度远离地球,广义相对论的引力延迟效应首次在空.领域得到验证

一些学者提出,在未来,借助于在月球表面设置高性能原子钟、微波中继器、多普勒测速仪和相位测距装置,有望探索地球和月球之间微波或激光链路上空之间的低频引力波。

同时,通过在月球表面设置时频参考装置,可以更有效地通过地月链路获取地球和月球的异常自转信息,揭示引起异常自转的行星内部物质及其动态分布特征。

此外,结合环绕月球的卫星、环绕地球的卫星和从地球到月球的激光测距,科学家们认为,将有机会探测在地球和月球空之间以及围绕太阳的轨道上是否存在具有可感知质量的暗物质。

建造月球基地面临许多挑战

在空平台的帮助下,如果测量精度相同,在距离更远、质量更大的天体周围将获得更灵敏的探测能力。在地火、地木、地土距离进行高精度微波测量,比在地月距离验证引力理论更有优势。

“但考虑到可达性、成本、自然条件等因素,与其他天体相比,最有可能在月球上建造科学设施,进行科学探索。”平劲松认为。其中,对月球表面探测的研究,如地月动力学、地球与きだよ 0/之间的天气遥感、月球背面单元的低频射电天文观测等,已经具备了一定的技术条件,实现相应科研目标的技术可行性较高。

然而,对于那些需要依靠大型设备的月球探测,无论是依靠无人基地还是载人基地,仍然存在许多技术瓶颈。包括建造高能物理装置、月背低频无线电天文巨阵、月球对地遥感观测等。,必须以月球的成熟发展为基础,并且只有在形成月球基地的条件具备后才能实施。

“由此可见,月球基地本身的建造技术实际上构成了在月球上进行相关科学探索的最大技术瓶颈。”平劲松指出。(记者唐婷)

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