月球上的望远镜或能照亮宇宙的黑暗时代

本文原载于《Discover》杂志2021年6月刊，标题为“寻找黑暗时代”。 订阅订阅，阅读更多此类故事。

大约138亿年前，我们的宇宙爆发新生。在极短的时间内，它从亚原子尺度膨胀到葡萄柚大小。随着宇宙不断增长，它的温度也随之降低，直到构成物质的基本粒子——夸克和胶子——得以形成。最终，这种夸克汤聚集形成原子。原子又聚集成更大的分子。气体充满了宇宙。然而，宇宙会在此状态下——一片黑暗——持续数亿年，直到第一批恒星和星系发出光芒。

我们理解早期宇宙的部分过程。但一个巨大的空白仍然困扰着天文学家。他们称之为“黑暗时代”，因为在没有星光可以研究的情况下，他们只能猜测所有熟悉的物质来自哪里。我们是如何从一个充满气体的宇宙演变成现在我们在夜空中看到的这个宇宙的？

“早期宇宙没有星系，只有炽热的物质。随着温度下降，在星系形成之前一定发生了一些事情，”诺贝尔奖得主、美国宇航局戈达德空间飞行中心的天体物理学家约翰·马瑟说。“坦白说，我们有很多故事和预测，但没有测量数据。”

他补充说，解开这个谜团是“现代天文学的伟大目标之一”。

为了解决这个问题，科学家和工程师们确定了一个不太可能的地点，这个地点将有助于塑造下一代天文学研究：月球的背面。

在第一颗恒星形成之前，宇宙并没有发出可见光，但弥漫宇宙的原始物质很可能发出了无线电信号。天文学家从未探测到这些波长，因为它们被拉伸得太长，以至于无法穿透地球周围的无线电干扰。月球背面是太阳系内唯一一个射电天文学家能够获得片刻宁静的地方。月球的背面始终背对着地球，所以如果天文学家能在那里建造一个射电望远镜，他们就拥有了一个天然的噪声屏障。

月球上的望远镜

1986年，近100位世界顶尖天文学家聚集在休斯顿的一家酒店，提出了数十个在月球天然卫星上建造望远镜的大胆设想。甚至在阿波罗计划之前，科学家们就认为月球望远镜是登陆月球最科学的理由之一。这种推动促使一枚小型望远镜成功登陆阿波罗16号。到了20世纪80年代中期，这个想法似乎终于成熟了。美国国家航空航天局的航天飞机计划蓬勃发展，空间站的计划也正在成形。重返月球似乎指日可待。

然而，在休斯顿会议不到三周后，“挑战者”号航天飞机失事了。美国复兴的登月计划在接下来的几年里也遭遇了挫折。

尽管如此，并非所有人都放弃了这个想法。自从35年前的这次会议以来，杰克·O·伯恩斯一直是推动在月球上建造望远镜的主要倡导者。他通过三个独立的重返月球计划推动了月球望远镜项目。

伯恩斯说：“我自20世纪80年代以来的工作一直是在我们登陆月球后，引领我们在天文学方面能够开展的科学研究。”伯恩斯是美国宇航局资助的空间科学探索网络（Network for Exploration and Space Science）的负责人。伯恩斯认为，这个疯狂的想法终于有可能成为现实。唐纳德·特朗普当选总统后，伯恩斯是新政府NASA过渡团队中唯一的科学家。该团队提出的想法后来成为了“阿尔忒弥斯计划”，该计划旨在2024年实现载人登月。

伯恩斯还提出了利用月球望远镜解开宇宙黑暗时代之谜的设想。他认为这是“杀手级应用”——能够让月球望远镜变得不可或缺的科学论证。在一次晚宴上，他也成功说服了时任NASA局长吉姆·布里登斯廷接受了这个想法。

伯恩斯现已完成一项由NASA资助的工程研究，项目名为FARSIDE（Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets，意为“月球背面射电科学调查黑暗时代和系外行星阵列”）。整个射电望远镜将打包在一个机器人月球着陆器中，着陆于月球背面。然后，四辆小型漫游车将缓慢展开近30英里的电线和128个天线，形成一个螺旋状阵列，覆盖约6英里。

技术赶上

过去，天文学家们的月球望远镜提案依赖于月球殖民地和耗资数十亿美元的太空计划。“我们唯一能够设想将科学仪器部署到月球的方式就是依靠宇航员，”伯恩斯说。但得益于现代机器人技术和新兴的私营太空飞行公司，FARSIDE的成本低于火星漫游车的成本。

一年多来，FARSIDE团队一直与杰夫·贝索斯的太空公司蓝色起源（Blue Origin）合作。埃隆·马斯克梦想着火星，而贝索斯的最终目标是让人类在月球上工作和生活，包括进行科学研究。为此，他已投入数十亿美元用于可重复使用的火箭和名为“蓝月亮”（Blue Moon）的货运着陆器，该着陆器可以将数吨重的载荷运送到月球表面。通过这艘航天器，蓝色起源公司旨在为月球殖民地打开大门。对NASA而言，这也是让美国宇航员重返月球的一种方式。但如此大的载货能力足以一次性部署一个望远镜以及用于建造它的漫游车。

伯恩斯不是唯一一个追求这个目标的人。月球背面的科学潜力已经引起了其他研究人员——以及其他国家的兴趣。

天文学家们以前从未在射电光谱的这个部分进行过观测，研究人员渴望成为第一个发现隐藏在那里事物的人。这可能为标准宇宙学提供新的检验。而且这些测量非常灵敏，甚至可能探测到系外行星周围的电磁场，从而帮助识别宜居行星。

蓝色起源公司的首席科学家史蒂夫·斯奎尔斯说：“月球另一侧的射电静默环境使得极其灵敏的测量成为可能，而这是你在其他地方无法获得的。”“这种环境非常非常有利于进行突破性科学研究。”

月球淘金热

甚至NASA最近也资助了另一项月球望远镜研究。该提案建议使用小型机器人攀爬悬崖，并将一个射电天文台悬挂在月球背面一处陨石坑的内部。

中国也在追求类似的目标。该国已经通过其“嫦娥四号”着陆器在月球背面部署了一个小型望远镜。现在，它正推进一项计划，其任务与伯恩斯数十年来一直在推动的任务惊人地相似。

与此同时，伯恩斯获得了NASA的资助，以完成一项名为DAPPER（Dark Ages Polarimetry Pathfinder，意为“黑暗时代偏振探测器”）的概念研究和仪器开发。这个小型卫星将从一个航天器“总线”上部署，该航天器计划最早于2022年发射。它不会停留在月球表面，而是在其轨道的短暂部分，即在月球背面时，对黑暗时代和宇宙黎明进行初步观测。

但是，随着NASA和私营公司竞相尽快将人类送上月球，天文学家们越来越担心无线电噪声污染问题会随之来到地球。

斯奎尔斯说：“尽快完成这项工作势在必行。虽然月球背面目前的射电环境很安静，但不太可能一直保持下去。”

如果科学家们能够在月球背面建立研究站，他们或许能够建立一个长期先例，将这个区域保护起来免受开发，就像南极洲一样。但如果等待太久，他们就会错过这个机会。

伯恩斯说：“我们现在已经准备好出发了。毫无疑问，我们可以做到这一点。而且肯定会有人完成，无论是NASA、中国人还是杰夫·贝索斯。我坚信它会被实现。”

埃里克·贝茨是《Discover》、《Astronomy》等杂志的科技记者