月球天文台



嫦娥发射成功了，虽然还要经过几次变轨才能进入月球轨道，但我们也可以小小的庆祝一下了！当然，嫦娥一号仅仅是我们探月的第一步。按照现在的规划，我国要实现“绕、落、回”，即第一步发射绕月飞行的卫星，第二步把探测器放到月球上，第三步让探测器带上月球样品返回地球。再以后，可能还要考虑载人登月，甚至建设月球基地。但是，登月究竟有什么用呢？


今天，我们常常在报纸上读到从月球上采集矿产资源，特别是氦三，月球上有大量的储藏（这来自太阳风常年的轰击，氦三被保存在月壤里），可以用做可控核聚变的燃料，以解决未来的能源问题。这确实不错，不过这个目标好象太遥远了一些，且不说把氦三采集、提炼出来再运回地球的难度，单是可控核聚变本身，究竟什么时候能够实现，现在也还根本没有把握。


今天听了一个学术报告，报告人是来自欧洲的射电天文学家 Leonid Gurvits.他报告的内容是射电干涉技术在空间探测中的运用。在报告的末尾，他谈起了在月球上建立甚低频射电天文台的可能性。


在月球上建立天文台，也是现在经常被讨论的利用月球一种可能性。不过，说句实在话，对于电磁频谱的大多数波段来说，在月球上建天文台并没有太明显的优越性。比如，有人建议建紫外线望远镜。在地球上，当然，紫外线大部分被吸收了，不适合建造紫外线望远镜，但是紫外线望远镜可以放到人造地球卫星上，而不是必须放到月球上。实际上，放到卫星上可能还会更好用一些。几个月前，美国组织过一场天文学家的辩论会，讨论月球天文台究竟值不值得做，反对的一方似乎更有说服力。但是也有一个例外，那就是低频射电项目，这是比较适合月球天文的项目。


地球大气的上层被来自太阳的辐射所电离，形成电离层，里面的自由电子会吸收电磁辐射。电磁波的频率越低，就越难以穿透它。因此，在地面上很难接收到来自太空的频率在10 兆赫以下的电磁波，现在的射电天文都是在更高的频率上进行观测的。如果把低频射电接收装置放在卫星上，固然可以突破电离层，但是又会受到地面人工无线电的干扰。 由于月球自转和围绕地球公转的周期相等，因此月球的背面将一直背向我们。如果在月球背面建一个低频射电天文台，它将永远背对着地球，那就既不会有电离层的问题，同时由于月球的遮挡，也不会被人工信号所干扰。


当然，要实现这个在月球背面建天文台的方案，也得解决很多困难的问题。首先，天文台的测量结果如何传给地球？一个设想是使用卫星转播。在月球背面的延长线上，有一个特殊点称为地月系统的第二拉格朗日点，如果在这里附近放上一颗卫星，它将在这一点附近漂移。可以控制它的漂移幅度，使之能同时被月球背面的天文台和地球上观测到，那么就可以通过这颗卫星传递信号了。还有一种可能性，就是把天文台建在月球的极地附近。在这里，地球始终（或者相当长时间）悬浮在地平线之上几度。可以选择合适的地形，把低频射电观测用的天线建在洼地或环形山内，让地形遮蔽地球。同时，另外专门在高处建通信用的高频天线，与地球保持联络。


低频射电的特点是波长很长，我们知道可分辨角大约是θ＝λ／D, 这里λ是波长，D 是接收器尺度。对于10 MHz 以下的低频电磁波，其波长在３０米以上，要用单个天线实现是困难的，所以一般是用多个相距不同距离的天线组成干涉仪。要在月面上建干涉仪就比较麻烦。Gurvits 博士展示了一个动画，显示若干个载有天线的小车从着陆后的母船上下来，拖着根电缆，向远处开去。然而这样的小车势必要占宝贵的重量和空间，恐怕一艘母舰装不了几个，而且也开不了多远（基线长度有限）。还有一个问题也是不容易解决的，就是月球上的一“天”是我们的一个月，所以有半个月时间阵列是在黑夜里，太阳能电池得不到充电，而且温度也会降的很低，导致仪器无法正常工作。要解决这个问题，恐怕还得用同位素电池。这个东西在火箭从地面发射的时候构成一个很大的风险，如果发射失败有可能造成大面积放射性污染。即使用了同位素电池，能不能解决这么多天线的保温问题也还很难说。


其实我提出过一个实现低频射电天文台的方案，从技术上讲比这个月面阵列要容易得多。与其把阵列放到月面上，不如造几颗卫星绕月球转，构成干涉仪星座，转到月球背面时收集射电数据，转到正面时发回地球。这样，既用不着中继卫星转播，也不必设计复杂的月面着陆，更不必担心太阳电池的问题。当然，这个方案也有一些技术难点，主要是卫星彼此间的距离必须测准，另外现有的射电干涉处理程序都不适应这种活动基线的数据处理，需要重新研制。但是，和上面那些困难比起来，这些都要容易多了。


不过，我这个方案由于非技术方面的原因，也难以实现。正如Gurvits 博士所说的，去月球所耗费的钱如此之多，很难想像会专门为了满足射电天文学家的兴趣而发射火箭，我们只能寄希望于搭车。也就是说，政府会想登陆月球，但上去做什么呢？除了考察月球本身外，可以顺便帮我们天文学家做点事。但是，各国的政府和公众的兴趣都更多的是放在降落到月球表面上，对这种只围着月球转的东西兴趣都不大。另一方面，要在月面上建真正的低频射电天文台，又需要专门的、规模相当大的项目，也是很难靠搭车实现的。


看来，建立一个真正有价值的月球天文台还要走很长的路，月球的资源利用和开发就更不用说了。


２００７年１０月２５日






























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