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光学波段:月基大口径光学望远镜

在月球表面进行光学波段的观测,其相较于空间和地面望远镜有特殊的优势 。首先月球上大气稀薄,如前文中所讲拥有极高的真空环境。而地球上的大气湍流会对成像造成干扰,于是地基望远镜无一不是采用自适应光学的方法来消除这种畸变。月球没有大气因此可以避免这一环节的校准问题。

其次月球有一个和地球相似的刚性表面,因此可以承重。 月球没有空气自然就没有风,而月震的强度比地震要低三个量级,因此对于望远镜而言则有一个稳固的观测平台。月球表面重力加速度只有地球的1/6,因此同样的承载力下在月球可以建造口径更大的望远镜。大口径望远镜的构想最早是在1998年由Gimozzi等人提出的100 m夜枭望远镜(Over Whelmingly Large,OWL),但是由于工程原因这个项目被否决了。但是2019年Schneider等人又重新审视了这个方案,并提出将OWL建造在月球上的构想,命名为OWL-MOON。

最后,由于月球被地球潮汐锁定,故而其背面不会受到地球光污染。 月球两极的环形山昼夜温差小,温度恒定在100 K以下。低温条件又没有水蒸气的吸收,因此非常有利于开展红外波段的观测。

科学目标

系外行星与地外生命

通过观测近红外波段的光谱可以获取许多化学信息,比如水、甲烷、一氧化碳和二氧化碳以及氧气,故而可以发现适宜居住的类地行星 。而红外波段则可以显示星球额外的热能,从而能够发现智慧生物的痕迹。

对于围绕某一时刻主序星绕转的系外行星的探测主要关注其基本特征:质量、半径、反照率和自转周期等。其自转周期可以通过持续的光度监测获得;半径可以通过掩星等手段获得;反照率则需要依赖直接成像的手段。反照率是关于波长、面积以及时间的函数,通过持续的光度观测就可以进一步减少关于反照率模型的简并性。

此外,Sandora和Silk根据光谱中包含的生物演化的基本特征信息来划分地外文明的阶段:第一阶段是最低要求,主要关注生物合成的化学物质,比如CH4,CO2,N2以及水等产物;第二阶段是光合作用,关注氧分子,包括臭氧、NH、OH、叶绿素以及在红光和红外光谱处的示踪剂;第三阶段是智慧生物,主要通过散射光的相位信息推断微生物和植物生物量的特征;第四阶段是根据星球大气特征判断其科技水平。如今观测样本数量少导致以上特征在现有的星球中十分罕见。

寻找宇宙中第一代天体

宇宙中恒星最先形成的时间被认为是黑暗时代结束之后,即星族III。 这些天体是物质与辐射退耦以后形成的第一代天体,其化学成分主要由氢和氦构成。这些高红移天体由于自身产生大量电离光子,因此有剧烈的紫外辐射。而当少数金属元素在星际介质中生成,其紫外辐射就会受到抑制从而导致星族III天体的辐射谱有别于其他主序星。此外,这些高红移天体(星团或类星体)周围介质氢和氦的复合可以产生很强的紫外辐射,这些强紫外复合线是宇宙第一代天体辐射的显著特征。于是可以在高灵敏度的望远镜下观测到。

可行性分析

对于寻找系外行星和外星生物这一项目是美国航天局的Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LU-VOIR)空间望远镜最近的计划。 其口径在8–15 m,覆盖紫外到近红外200–2000 nm的波段,预计在2030年以后发射。我国也在积极地推进和筹划地球2.0计划,并预计2024年发射口径2 m的巡天号空间望远镜(Chinese Space Station Telescope,CSST)。此外,紫金山天文台也提出“近邻宜居行星巡天计划”(Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES),即采用空间高精度天体测量法来发现首颗近邻类太阳型恒星周围具有地球质量的宜居带类地行星。

但是Schneider和Silk等人论证了需要口径50 m以上的望远镜:首先为了增大探测到的样本数,应把探测距离延伸至40 pc。其次,假如要探测一个类地行星,其距离一个G型恒星亮度比为3×10-9,反照率为0.3。如果恒星星等为8,那么目标行星的星等就是32。如果要在1 nm的光谱分辨率上探测原子和分子的吸收线,并在3 h的曝光时间内接收到1000个光子,就需要50 m的望远镜。如果要探测到相比于连续谱10倍深的吸收线,并在3 h曝光时间内接收到500个光子,那么就需要100 m的望远镜。

此外,对于非地基望远镜而言,主要的噪声来源是黄道光噪声和光子统计噪声。Stark等人给出黄道光噪声主导下的不同望远镜口径能达到的系外行星数量的探测极限N∝D[1,8],而光子统计噪声影响下不同口径处的探测极限是N∝D[1,2]。

此外大口径所观测到足够多的样本数使得对不同生物特征的探测更加精确,Schneider等人对比了LUVOIR与OWL-MOON最大探测样本数对测量结果的影响。对能探测到的演化至某一阶段的系外行星数量这一指标而言,随着样本量的增大,对不同阶段行星的区分度也就越来越高。结果表明,OWL-MOON依赖其大口径与测量深度所能探测的3000个样本数相比LUVOIR的50个最大探测量对不同阶段的信息更有识别度,详细信息见Schneider等人的Figure 2。

对于OWL-MOON这样的大口径望远镜是通过一系列离轴抛物面镜面拼接而成。能同时做到对系外行星有一个较窄的视场,对河外源有一个较宽的视场。在未来单镜面将有极大发展,这为大口径望远镜的建造非常有利。比如Apai等人提出的Nautilus计划,通过新的技术设计了更轻量级而且成本更低的8 m镜面。在菲涅尔透镜的基础上加以改良并且制作在轻型塑料中。此外还有Monreal等人提出的WAET计划,其设计了大口径的10 m×100 m的方型望远镜。

但是不可否认的是,这种大口径光学望远镜由于其镜面高精密性导致在月球着陆和部署成为当前乃至未来的难题。嫦娥三号搭载的其中一个有效载荷是里奇克莱琴望远镜(Ritchey-Chretien Telescope,RCT),主要在近紫外波段245–340 nm上观测银河系、活动星系核、双星等目标源,其口径只有150 mm。

如果发射大口径望远镜,以空间望远镜LUVOIR合作组给出的其中一个预算估计为例,Resource Analysis Office的预算模型给出:LUVOIR-A需要130–160亿美元,LUVOIR-B需要80–100亿美元;如果算上未来规划,LUVOIR-A需要190–240亿美元,LUVOIR-B需要120–150亿美元。在光学望远镜尺寸增大的情况下,考虑月面着陆、安装部署的费用以及难度,所需预算还要更多。

在甚低频射电天文学方面,月球的射电宁静的环境非常适合开展低频射电观测从而开启了观测黑暗时代的窗口;在超高能宇宙线的方面,可在月面部署天线进行探测以获取高通量与可观的事例数;在分赫兹引力波探测的研究中,可建造激光干涉仪或通过测量月震来提取引力波信号;最后未来光学镜面的发展使得大口径月基光学望远镜成为可能,从而帮助寻找到更多的系外行星以及大大提高分辨其生命活动和文明程度的可能。总而言之,在月球开展天文观测的科学裨益明显,而从技术上,中国尤其具备良好的前提条件。

中国的嫦娥三号与嫦娥四号已经在月球进行了科学实验与开展研究的前置工作。嫦娥三号的有效载荷中部署了一个焦距200 mm的光学望远镜,主要用于观测V星等亮于6等的天体以及对目标天区的定向观测。嫦娥四号针对月球背面开展了一系列前置工作。其着陆器采用同位素温差电池(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)。这是利用塞贝克原理,采用温差发电模块将同位素衰变产生的热能转化为电能输出的一种装置。利用这种方式能有效开展昼夜温度采集的工作,从而能获取月球背面温度的第一手资料。

同时嫦娥四号着陆器的有效载荷中搭载低频射电频谱仪(Low-Frequency Radio Spectrometer,LFRS),主要用于探测太阳爆发产生的低频电场以及对着陆区上空的月球电离层进行探测工作。此外在低频射电实验的过程中,LFRS采取了新的方式来抑制着陆器本身的电磁干扰,有效降低了15 d B。

而在未来中国探月工程将在着陆器的有效载荷中部署高精度地震仪,从而有效地精确测量月震。精确测定月球的浅月震与陨石撞击的月震强度对未来引力波的实验非常有利。在未来,中国和俄罗斯共同倡议建设的国际月球研究站(International Lunar Research Station,ILRS)更是为集中建设、管理不同的观测设备提供了绝佳的后勤保障。

集中的优势在于:(1)在月球开展多信使天文学,科学装置的部署有赖于月球科学工作站的建立以及月表基础设施的完备。由于以上所有科学项目的最佳选址都在月球南极的环形山中,因此各个科学装置如果可以实现资源共享,将可以最大限度地压低基建和运输成本。

尤其是部署在南极可能有极昼现象,那么就能充分利用太阳能资源实现集中高效发电并分发给不同实验。此外,如果这些科学装置彼此相距不远,可以选择一个合适的地点建立共享科学工作站和超算中心,非常有利于海量数据的就地处理。(2)进行多信使天文学需要让这些信使之间针对某一目标源进行协同观测,针对瞬变源的高效迅速协调观测尤其重要。黑暗时期(z=30)结束产生的星族III天体被认为是最早的天体。

Bernal等人研究表明,如果黑暗时期存在中等质量黑洞,那么其周围气体吸积会在21 cm功率谱上产生独特的信号。随后Cole和Silk计算发现月基甚低频阵列的灵敏度在z=50的21 cm功率谱上可以探测到黑暗时期原初黑洞吸积产生的21cm信号。

月基引力波探测器最远能观测到红移100的天体,同时在红移30以上(黑暗时代)的低频波段进行射电观测,就有可能挑战恒星形成历史。并且对引力波分赫兹频段上的观测在未来可与将要建成的光学波段的E-ELT (European Extremely Large Telescope)以及电磁波段的SKA (Square Kilometer Array)配合,从而对宇宙哈勃参数和物质组分给予一个强限制。

在月球可以通过引力波探测到频率约1 Hz的超新星爆发事件,此类事件同时又伴随着光学波段的信号以及对宇宙线的加速过程所产生的同步辐射的射电信号。再者比如低频射电观测可测量到宇宙线的起源,在月壤中也可以探测到其激发的切伦科夫辐射。

月基阵列可以与空间低频射电卫星或者地球的LOFAR,LWA进行甚长基线干涉,从而获取足够大的臂长以实现在低频下对银河系HII区的同步辐射进行观测。此外,月基光学望远镜的其中一个用途就是实现与地球的光干涉,干涉臂长达地月距离以得到超高分辨率。在建设之初便注重不同设备间的控制协同将有利于多信使天文观测能力质的提升。

综上所述,从规划阶段就有机整合多信使、多波段、多技术的不同观测项目,可以达到“降成本、提科学产出”的目的。根据各个项目的成本估计以及具体实施的复杂程度不难看出,除了某些具体的科学目标外,空间探测器其性价比与可实施性都远高于月基探测器。本文亦无意证明月基探测器相比空间探测器有什么不可替代之处。只是根据未来ILRS的建立,依托国家载人航天、探月工程的推进,我们希望在已有立项的基础上补充科学上的考量:即回答在月球背面建立研究站后能完成怎样的科学目标这一问题以及给出解决这些问题所需要的探测设备。

本文将不同类型的天文观测全部集中在一篇综述,希望能为各个领域读者提供一点简单、便于阅读的关于其他领域的简介,便于其寻找交叉合作的可能。但本文只是简单机械罗列不同项目,还未能将它们有机地整合分析,给出具体的资源共享方案和相关成本分析,也没能给出细致协同观测步骤和程序。这些内容需要在细化各个项目后与航天领域专家共同深究,我们期待未来不论是我们或其他作者能有更深一步层次的分析。

Mandel I,Sesana A,Vecchio A.The astrophysical science case for a decihertz gravitational-wave detector.Class Quantum Grav,2018,35:054004

Radio Regulations.Geneva:International Telecommunications Union,2016

Condon J J,Ransom S M.Essential Radio Astronomy.Princeton:Princeton University Press,2016