月球：科研的“风水宝地”

李忠东

引力波是大质量天体对周围时空扰动导致的时空涟漪，就像在平静的水里丢下一块石头，会激起层层涟漪向四周扩散。它是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，直到2015年，人类才首次探测到它的存在。2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观的宇宙事件发出的电磁信号。那是在美国东部时间同年8月17日8时41分（北京时间20时41分），美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）和欧洲“处女座”（Virgo）引力波探测器捕捉到了这个引力波信号。此后2秒，美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的多信使天文学进入一个新时代。

拟议中的“宇宙学引力波月球观测站”（GLOC）布局

在此之前，LIGO引力波探测器于2015年9月和12月，以及2017年1月先后3次单独探测到引力波，它均由双黑洞合并产生。高频引力波可能是由合并前的原始黑洞之一发出的。而这些原始黑洞还没有被最终证明是存在的。据推测，原始黑洞是在宇宙大爆炸的几毫秒内产生的，并可能成为星系中心的超大质量黑洞的“种子”。之后科学家又进行了几十次探测，大部分是由LIGO这样的设施进行的，它可以探测到频率在30到7000赫兹之间的引力波。

引力波经常会被地震、交通和其他人类活动产生的背景波所淹没，因而探测起来十分棘手。为了探测到微弱的引力波，我们必须使用极为灵敏的干涉仪。然而，干涉仪越灵敏，就越容易被干扰。为此，我们必须给引力波探测器安排真空的环境，防止空气分子的干扰。即便如此，它也会受到地震的干扰。而且由于干涉仪灵敏度惊人，即使科学家感受不到的小地震，也会导致他们误以为接收到了引力波信号。通过研究月球上的自然条件，科学家认为，最具挑战性的引力波频谱可以在月球表面更好地进行探测，这在地球上或太空中几乎是不可能完成的。

月球表面具有一些在地球上很难复制的优势特性。首先，目前月球上尚无人类活动，即使未来载人任务增加，仍然有足够的空间来建立一个远离喧嚣的地方。其次，月震要比地震弱得多，频率也低得多。最后，月球处于一个高度真空的环境，这意味着探测装置不需要像地球上那样放在真空管中。即使是位于地下深处的LIGO和Virgo引力波探测器，其真空环境都远不如月球表面的纯净，仍容易受到周围环境的噪音和振动的影响。这些因素意味着在月球表面建立的引力波基础设施，可能比任何地球上的探测器都要灵敏得多，能探测到地球上的设施几乎无法探测到的频率范围。

为此，美国范德堡大学天体物理学家卡兰·贾尼和哈佛大学科学教授阿维·勒伯领导的研究团队，首次提出了在月球表面这个更安静的新地点建立引力波基础设施的设想。它被称为“宇宙学引力波月球观测站”（GLOC），旨在利用月球的环境和月心轨道来分析整个宇宙可观测体积的近70%内的黑洞、中子星和暗物质候选体的合并。这个引力波探测器可以捕捉0.1～5赫兹的引力波，能探测黑洞和中子星合并事件，尋找暗物质候选体。月球表面能够探测到的引力波频率下限至少比地表探测器小2个数量级。

2020年4月7日，美国宇航局喷气推进实验室（JPL）提交了一个富有科技感和未来感的新计划，他们打算在月球背面的环形山中建立一个直径为1千米的“月球环形山射电望远镜”（LCRT），将利用月球表面的环形山作为自然的射电抛物面天线来放大信号。科学家构想的出发点，是充分利用月背位置的巨大优势，收集地球上因干扰而无法收到的信号。这些信号存在于无线电频谱的超长波长中，人类在地球上探索宇宙时基本上无法观测到。

LCRT可以完全避免来自地球的无线电干扰，并且在月背入夜之后还可以屏蔽来自太阳的无线电干扰，使望远镜的观测效果达到最佳。除此之外，因为月球的引力只有地球的六分之一，所以完全可以把LCRT建设成一个口径很大的超级望远镜。

在地球上，存在不少干扰射电望远镜观测的因素。一是地表上空存在电离层，当信号的波长较长时，电离层就会把信号遮挡住。二是地球上手机通信、雷达、卫星等发出的人造信号太多，且比来自宇宙的信号要强几百万倍，对望远镜观测造成干扰。倘若避开这些干扰源所使用的波段，的确能达到减少干扰的目的，但同时也意味着望远镜的观测存在死角，无法覆盖某些波段的信号，致使来自宇宙的某些信号无法被捕捉。

相较而言，LCRT能在没有大气的月背发现微弱的信号，为超长波的研究提供便利。超长波的波长在10至50米频段内。这个波长对应宇宙早期的黑暗时代，是宇宙诞生之初的样子。那时的宇宙信号距离我们很遥远，传递到地球的时候已经相当微弱。要想对超长波频段进行科学探索，只能寄希望于空旷的太空或者宁静的月球背面。

根据美国宇航局的设想，LCRT建成以后的直径比500米口径球面射电望远镜（FAST）要长一倍，天线接受面积增大3倍，可以观测到早期宇宙辐射。它将帮助科学家更进一步地揭示银河系和星系团的结构、宇宙射线的加速和传播，了解宇宙大尺度结构的形成，探索宇宙的起源。

多年来，研究人员一直在寻找外星信号，而在月背建设的LCRT有助于扩大寻找范围，发现那些被地球干扰而埋没的信号。LCRT可以监听到来自宇宙深处的信息，而不用担心与周边电磁环境相混淆，也就不会出现把微波炉信号当成是宇宙信号这样令人惋惜的谬误了。如果宇宙中真的存在外星文明，并且外星人也会发送无线电波的话，那么LCRT就很可能会接收到外星信号。有人认为，如果未来真的在月球上成功安装了LCRT，那么将会成为人类寻找外星文明的里程碑式事件。

物理学家梦想着在月球上建立一个『月球粒子对撞机』

为了揭示最微小的亚原子粒子的奥秘，物理学家必须使粒子加速器和探测器的温度尽可能低，并去除多余空气，才能获得可靠的结果。有物理学家提出，月球实际上是一个很适合进行高能物理研究的场所，并提出建造“月球粒子对撞机”的设想。

这是因为月球表面的温度非常低，且不存在大气，没有介质把阳光的热量从一个地方传输到另一个地方。月夜，当太阳落到月球地平线以下时，温度会降到-73℃，正好在地球上典型的低温实验设置范围内。月昼，月球温度会升高一些，达到38℃以上，但在没有阳光直射的地方仍是寒冷的。如月球陨石坑的阴影中就隐藏着水冰。在粒子加速器中，超导磁体的作用在于将粒子抛入加速器，使其达到接近光速的速度，低温确保了超导磁体不会自行熔化。而探测器的温度越高，从亚原子粒子中筛选出微小信号时所要处理的噪音就越大，因为更多的热量相当于更多的分子振动，也就等于更多的噪音。

除了温度低，月球不存在大气层也是一个重要优势。在地球上，物理学家必须把粒子加速器和探测器里的空气全部抽出来。月球的真空环境比物理学家在实验室中制造的任何真空条件都要好10倍以上，而且是纯天然的，无须付出任何努力。