天文學最大的敵人：地球大氣層為甚麼不把太空望遠鏡放在月球上？

激光反射徑以及計算能力的飛躍 正在彼此協同 讓地面天文學的觀測能力 第一次逼近 甚至開始超越哈勃望遠鏡 曾經達到的極限 我們的大氣層 有一個極其了不起 卻常常被忽略的特性 它不僅對太陽光是透明的 對來自遙遠宇宙的星光 同樣是透明的 每天夜幕降臨 當我們抬頭仰望天空時 行星、恆星、星系與星雲 將一幅閃爍的織錦鋪滿天穹 想要看到它們 其實並不複雜 只要使用合適的觀測工具就夠了 但問題在於 我們從地球上看到的宇宙 其實一直被悄然削弱着 即使是在一個完全無雲的夜晚 任何來自太空的光 在抵達望遠鏡之前 都必須穿過超過100公里後的大氣層 這一層大氣並不是靜止、均勻的 它的密度、溫度和分子成分 始終在不停變化 所有進入地球的光 都不可避免地要與大氣打交道 而即便大氣是透明的 這些光線也會被扭曲、抖動 甚至被攪亂 直到現在 情況才終於發生了根本性的改變 這是天文學史上第一次 人類真正具備了克服地球大氣影響的能力 觀測宇宙的最佳方式 是使用你能製造的最大、最強大、最精確的望遠鏡 望遠鏡越大 就能容納更多波長的光 從而提高分辨率 更大的望遠鏡也意味着更強的聚光能力 使你能夠更快、更清晰地觀測到更暗的天體 你需要儘可能遠離 所有主要光污染源的最黑暗的夜空 你還需要在儘可能高的海拔 和儘可能乾燥的環境下建造望遠鏡 以消除雲層和水蒸氣的影響 但無論你身處多高的海拔 都無法擺脫地球大氣層的影響 暖空氣上升 冷空氣下沉 風吹拂 地球自轉 等等 所有這些因素以及其他因素 都會導致大氣分子不斷運動和波動 從天文觀測的角度來看 每一位觀測者都必須想方設法 彌補數萬億個分子對望遠鏡上每個像素的干擾 我們的大氣層是一個湍流系統 其分層氣體從任何角度看 都以一種略顯混亂且難以預測的方式流動 可以說 最底層的氣體密度最高 對我們的觀測干擾也最大 這就是爲什麼望遠鏡要建在高海拔地區 以及那些空氣異常乾燥 靜止不動的地方 幾十年來 克服這一問題的唯一希望 是將望遠鏡發射到太空 使其升至大氣層之上 但近幾十年來 一種新的方法應運而生 有助於解決這個問題 自適應光學技術 如果你觀測一個天文目標並嘗試拍攝它 大氣層會嚴重扭曲光線 從太空到望遠鏡的路徑 但是 如果你知道天空中哪怕一個物體 例如一顆恆星的精確位置和亮度 就可以按照以下步驟進行補償 效果非常好 這四個步驟如下 測量整個視場範圍內的入射光 包括來自已知的光線 複製入射光 使其延遲到達最終目的地 計算需要什麼樣的鏡面形狀 才能將來自導星的扭曲光線 還原成原始的點狀 然後製作這面鏡 並將所有延遲的入射光反射到它上面 當這些延遲的反射光 到達你的傳感器時 如果你的操作正確 你應該就能得到一張無畸變的圖像 之所以稱之爲自適應光學 是因爲它並非一次性的調整 而是一個持續的過程 爲了補償不斷變化的大氣畸變 鏡面必須不斷適應 大氣環境的劇烈變化 過去 我們只能利用自適應光學 來觀測那些附近有已知 且易於理解的恆星作爲引導的目標 但隨着技術的進步 我們不再受此限制 人類已經開發出一種卓越的系統 能夠在沒有明亮引導性的情況下 適應大氣環境 利用那激光器製造人造恆星 我們的大氣層分層結構 是該方法成功的關鍵 某些元素與其他元素分離 僅存在於特定的高度 那就是一種非常稀有的元素 它恰好集中在大約100公里高空的一個薄層中 如果你向空中發射一束那激光 它會沿着直線傳播 不受干擾 因爲低層大氣中的原子 不具備吸收它所需的量子特性 激光會一直傳播 直到與高層大氣中的那原子碰撞 被吸收並激發到激發態 這些激發態的原子隨後會自發退激發 向各個方向發射光 包括激光發射的方向 這種由地面那激光器產生的人造光源 現在可以用作人造導星 當然 它不如擁有真正的恆星那麼理想 因爲只要地球引力存在 大氣層就會持續存在 儘管這種存在非常微弱 即使是軌道高度 在數百公里大氣層之上的衛星和天文臺 最終也會因爲這些遙遠原子和分子的引力 而落回地球 儘管人造那導星無法完全覆蓋大氣層 但在如此高的高度 擁有一個已知的光源 可以消除高達99%的級別 即使沒有真正的導星 現代天文臺在觀測質量方面 也能與太空望遠鏡相媲美 而且它們的望遠鏡體積要大得多 與哈勃望遠鏡相比 凱克望遠鏡 聖大望遠鏡 錨星團望遠鏡 雙子座望遠鏡 或加納利大型望遠鏡的極光能力 高達哈勃望遠鏡的19倍 而像GMT和LUT這樣的望遠鏡 預計會將這一優勢提升到三位數 2012年 我們首次利用當時世界上 最先進的自適應光學技術 將其應用於雙子座天文臺 並在並排對比中超越了哈勃太空望遠鏡 請自行比較下視頻中 右側是配備尖端自適應光學系統的 地面8.19米望遠鏡拍攝的圖像 左側是位於太空中的 2.4米哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像 看看您能否在並排對比中 找出雙子座望遠鏡 發現哈勃望遠鏡遺漏的恆星的例子 儘管自適應光學技術迄今爲止 取得了巨大的成功 但它仍然是一個不斷進步的領域 天空中一個點所能提供的 關於大氣整體的信息非常有限 即使觀測高度達到100公里 也無法涵蓋最高海拔區域 或許有一天 我們會在月球上建造地面望遠鏡 或者擁有運行中的太空電梯 但這距離我們還有很長的路要走 因此 自適應光學技術在未來幾年可能會持續改進 最近一項意義重大的進展 預示着該技術未來發展前景光明 這項進展來自帕拉納爾天文臺 該天文臺擁有甚大望遠鏡 一個由四臺8米級望遠鏡組成的陣列 位於地球上最佳觀測地點之一 帕拉納爾天文臺是歐洲南方天文臺的合作伙伴 其望遠鏡採用了自適應光學領域迄今爲止 最先進的改進技術 四激光導星裝置 通過創建四顆引導星而飛一顆 天文學家可以更好地適應整個時長 這些人工星可以彼此獨立地在天空中移動 也可以獨立於望遠鏡移動 從而使自適應技術能夠針對每幅圖像進行獨立優化 這對於望遠鏡技術而言是一項巨大的潛在突破 有望大幅提升地面望遠鏡在整個市場範圍內的成像質量 正如歐洲南方天文臺在其新聞稿中所述 使用多臺激光器可以更精細地繪製大氣灘流圖 從而顯著提升更大市場範圍內的圖像質量 這不僅對天文學來說是一項巨大的福音 也展現了政府資助項目與私營企業成功合作的巨大潛力 如果沒有雙方的參與 這些改進根本不可能實現 未來十年 包括未來由歐洲南方天文臺管理的39米口徑的ELD望遠鏡在內 將目擊天文學家迎來前所未有的黃金時代 幾十年來 應對大氣層的唯一方法要麼是適應它 要麼是飛到它之上 然而在過去的幾年裏 這一切都在發生改變 現在是時候認真考慮爲所有大型天文臺配備類似的自適應光學系統了 如果這些改進能夠持續下去 地面天文觀測或許能夠徹底超越空間望遠鏡 在性價比方面取得突破 那麼問題就來了 既然在地球上靜天文臺要面對這麼多麻煩 我們爲什麼不乾脆把望遠鏡送到月球上去 這幾乎是全世界科學愛好者共同的偉大夢想 但很遺憾 它同時也是一個幾乎全方位的糟糕想法 如果你的目標是拍攝宇宙中最純淨最不受污染的圖像 那麼理論上最好的選擇確實是離開地球 在我們的星球上 存在着各種各樣會干擾天文觀測的因素 城市燈光限制了我們能看到的最暗天體 大氣層削弱了分辨率 讓影像變得模糊 雲層和天氣會直接打斷觀測計劃 而太陽本身甚至地球的遮擋 也讓任何一個地面地點都無法看到完整的全天空 也正因爲如此 哈勃、錢德拉、費米、斯皮策等空間望遠鏡 纔想我們展示了空間觀測究竟有多麼高效 它們傳回地球的圖像與數據 讓我們學到的東西 遠遠超過任何地面望遠鏡曾經做到的極限 那既然如此 爲什麼不把望遠鏡直接放到月球上呢? 信不信由你 除了一個例外之外 這在幾乎所有方面都是一個壞主意 下面就是原因 乍一看 月球似乎是一個理想的觀測地點 它幾乎沒有大氣層 這意味着不存在大氣擾動和光污染的問題 它遠離地球 應該能大幅減少人類活動產生的電磁干擾 月球上極其漫長的夜晚 讓你可以連續14天不間斷地觀測同一個天體 而且由於你站在堅實的地面上 也不再需要依賴陀螺儀或反作用飛輪來維持指向精度 聽起來簡直是完美方案 但只要你稍微認真想一想月球是如何繞地球運行 而整個地月系統又如何共同繞太陽運行的 就會開始意識到問題正在一個接一個的浮現出來 首先 如果你真的要把望遠鏡放在月球上 你得做出一個關鍵選擇 放在近月面還是遠月面 無論選哪一邊 都各有致命缺點 如果你把望遠鏡放在朝向地球的近月面 好處是顯而易見的 你始終能看到地球 通信幾乎可以實時進行 望遠鏡的控制 數據的上傳和下載 都只受限於光在空間中傳播的時間 但代價同樣明顯 來自地球的人造干擾 尤其是無線電信號 將永遠是你必須設法屏蔽的噪音源 而如果你選擇月球的遠月面 那麼恭喜你 幾乎所有來自地球的干擾都會被月球本身完美擋住 但與此同時 你也失去了與地球的直接通信路徑 爲了讓望遠鏡正常工作 你還必須額外部署月球軌道終極器 或者在近月面建立專門的信號轉發系統 僅僅是爲了讓它能說話 無論你選哪一邊 都會遇到一大堆問題 而這些問題 在把望遠鏡直接送入寂靜的行星級空間時 根本就不會存在 其中最嚴重的兩點 是下面這兩個 第一 月陣 你可能覺得月球之所以重要 是因爲它引發了地球的潮汐 但實際上 地球對月球施加的潮汐力 比月球對地球的影響強大二十多倍 強到足以在月球內部引發相當頻繁 相當明顯的月陣 對於一臺需要極端穩定性的精密望遠鏡來說 這是個噩夢 第二 極端的溫度變化 由於月球與地球潮汐鎖定 自轉又極其緩慢 它會連續十四天暴露在陽光下 然後再經歷十四天完全的黑暗 白天 月球表面溫度可以超過一百攝氏度 而到了夜晚 溫度會驟降到零下一百七十攝氏度以下 這樣的熱脹冷縮循環 對任何精密光學系統而言 都是近乎致命的考驗 對於一臺真正意義上的空間望遠鏡來說 無論採用主動冷卻 被動冷卻 還是兩者結合 溫度都是可以被精確控制的 但有一個硬性物理條件不可迴避 望遠鏡本身的溫度 必須低於它要觀測的電磁波波長所對應的能量尺度 否則熱噪聲就會徹底淹沒你真正想要的信號 這對紫外 可見光和紅外天文學而言 都是至關重要的要求 而在月球上 除了專門用來觀測地球或太陽的情況之外 這一點幾乎無法滿足 極端而劇烈的溫度變化 會讓這些波段的精密觀測變得異常困難 甚至根本不可行 要設計一臺既能承受如此極端的冷熱循環 又能長期保持最佳光學性能的望遠鏡 本身就是一項近乎苛刻的工程挑戰 也正因如此 到目前爲止 人類唯一真正部署在月球上的天文望遠鏡 只是一臺位於近月面的紫外望遠鏡 而且它工作的波段 正是地球大氣幾乎完全吸收 在地面根本無法觀測的那一部分紫外光 對於絕大多數天文觀測任務來說 直接進入太空 依然是一個遠優於登月的選擇 與其說月球表面提供了一個可以站得住腳的地面 不如說它在溫度極端性 以及與地球通信的複雜性上 帶來的問題遠遠多於它所能提供的好處 但話說回來 月球確實在一個極其特殊的領域 擁有任何其他環境都無法比擬的優勢 那就是射電天文學 地球本質上是一個極其吵鬧的射電源 這種噪聲既來自自然過程 也來自人類文明本身 即便是在太空中 來自地球的射電信號 依然會瀰漫在整個太陽系範圍內 但月球提供了一個近乎完美的解決方案 在月球背面 月球本身就是一面天然的平底牆 正如宇宙學家喬·希爾克在今年早些時候所寫的那樣 月球背面是整個內太陽系中 觀測低頻射電波的最佳地點 這是探測某些由大爆炸流在宇宙中的 微弱指紋的唯一方式 地面射電望遠鏡受到人類活動造成的 電磁污染嚴重干擾 例如海事通信和短波廣播 而地球電離層 則從根本上阻擋了最長波長的射電信號 使它們無法抵達地面望遠鏡 藉助一臺部署在月球背面的射電望遠鏡 我們有可能直接探測到宇宙爆炸的信號 追溯大爆炸的早期階段 甚至捕捉到宇宙中第一代恆星誕生時留下的痕跡 儘管人們也在嘗試通過地面或空間方案實現這些目標 但由於完全屏蔽了來自地球的干擾 月球背面在靈敏度上 依然勝過所有其他選擇 實際上只要任何航天器在地球視角下飛到月球背後 就會立刻進入一種被稱爲射電失聯的狀態 無線電波無法穿透月球 這意味着在那段時間裏 信號既發不出去 也收不到繞月衛星月背的探測器 甚至阿波羅時代的宇航員 在月球擋在中間時都無法與地球通信 但從射電天文學的角度看 這個缺點恰恰也是最大的優點 GPS信號 微波爐 雷達 手機與WiFi 甚至數碼相機 都是會嚴重污染射電觀測的地球噪聲源 而在月球背面 人類文明製造的所有這些干擾 都會被100%完全擋住 在那裏 我們能獲得的 是射電天文學所能想象到的 最純淨最安靜的觀測環境 不過 正如天體物理學家吉里安斯卡德博士 曾指出的那樣 即便是在月球背面 事情也遠沒有想象中那麼完美 首先是數據傳輸的問題 無論如何 你都必須部署類似繞月終極衛星 這樣的系統 才能在地球與月球望遠鏡之間 建立穩定的通信鏈路 望遠鏡本身 或者一整套射電望遠鏡陣列 也必須真正被建造出來 運輸到月球表面成功部署 如果採用陣列方案 而這幾乎是所有科學家都更偏好的路線 還需要把這些天線精確連接同步工作 另一種替代方案 是鋪設電纜 把信號一路拉到近月面 再轉發回地球 但這同樣意味着額外的工程複雜度 然而 真正具有決定性阻礙作用的 還是成本 把材料送上月球 實現軟着陸 在月球表面展開設備 並確保它們長期穩定運行 本身就是一項極其龐大昂貴且高風險的工程 即便是目前最保守 最剋制的方案之一 所謂的月球設電宇宙學陣列 也設想在大約兩公里的範圍內 鋪設一百多臺結構相對簡單的天線 僅僅是這樣一個系統 它的預算就已經超過十億美元 幾乎可以與地球上造價最昂貴的設電陣列相媲美 綜合來看 對於幾乎所有可以想象到的天文學應用來說 把望遠鏡送上月球 都是一個明顯劣於直接飛出大氣層的選擇 月球上無處不在的極端溫差 爲工程設計帶來的挑戰 遠遠超過了擁有一個監視地面所能提供的那點優勢 只有在設電波段 月球背面所提供的獨特屏蔽環境 才真正打開了一扇地面觀測和普通空間觀測都無法替代的窗口 在成本沒有被大幅壓低 或者在人類社會尚未真正決定這筆錢值得花之前 我們大概率都不會看到一臺在整體性能上 明顯優於其他方案的月球望遠鏡 宇宙就在那裏 靜靜等待着我們去揭開它的祕密 一旦我們決定 月球設電陣列值得付出這樣的代價 人類在追溯宇宙起源的道路上 將會邁出一次真正巨大的飛躍 如果未來只能選擇一個方向 你更願意人類投入鉅額成本 在月球背面建造設電望遠鏡 還是繼續把望遠鏡送入更遠更深的太空 爲什麼 你可以從科學回報 工程難度 成本 甚至文明意義的角度來回答 歡迎在評論區留下你的判斷