月球背面是一个既陌生又荒凉的区域，与我们每晚从地球上看到的熟悉且大多平坦的正面截然不同。1959年，苏联的 Luna 3 探测器拍摄了该隐蔽区域的第一批照片。图像显示的不是广阔的平原，而是一片山峰耸立的月球景观。此后的观测表明，月球背面也布满了崎岖的陨石坑，而在这些陨石坑内还有更多的陨石坑。不久之后，这片崎岖的地形以及它上方的空间将拥有更加奇特的特征：它将遍布射电望远镜，由新一代的机器人探测车和月球轨道器部署。
天文学家正计划将月球遥远的背面作为我们观测宇宙黑暗时代的最新也是最佳窗口，这是一个神秘的时代，隐藏着早期恒星和星系的印记。我们的宇宙并非一直都充满着今天在天空中闪耀的这些明亮天体。大约在大爆炸后38万年，宇宙冷却下来，形成了第一批氢原子。巨大的氢元素云很快充满了宇宙。但在接下来的数亿年中，一切仍然是黑暗的，没有恒星。然后宇宙黎明来临：第一批恒星闪烁，星系旋涡般地形成，宇宙的大尺度结构也慢慢成形。
这种结构的种子一定存在于黑暗时代的氢云中，但使用光学望远镜探测那个时代是不可能的——因为那里没有光。虽然氢产生了长波（或低频）无线电波，但地球上的射电望远镜几乎不可能探测到它们。我们的大气层要么阻挡要么干扰这些微弱的信号；那些穿透大气层的信号也被人类的无线电噪声淹没了。
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几十年来，科学家们一直梦想着从月球背面研究宇宙黑暗时代，那里屏蔽了来自地球的传输，并且没有明显的大气层来阻碍宇宙观测。现在，多个航天机构计划开展携带无线电波探测仪器的月球任务——其中一些任务将在未来三年内进行——天文学家的梦想即将成为现实。
“如果让我设计一个进行低频射电天文学研究的理想场所，我必须建造月球，”科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家杰克·伯恩斯说。“我们现在终于要将这些望远镜放置在未来几年的月球上。”
氢的心跳
望远镜可以探测到中性氢的想法可以追溯到20世纪40年代，当时荷兰天文学家亨德里克·克里斯托弗·范·德·胡尔斯特预测，氢原子可以自发地发射电磁辐射脉冲。这种情况的发生是因为每个氢原子都可以在两个能级之间翻转，从而在21厘米（或1420兆赫兹的频率）的波长上发射或吸收辐射。当气体云在宇宙尺度上积聚时，这种发射就是氢的“心跳”，可以累积成可探测的信号。
这种信号应该在大爆炸后约38万年首次出现，当时宇宙冷却到足以让先前充满空间的质子和电子聚结成氢原子。除了形成所有后续天体赖以产生的原材料外，这一事件还带来了额外的好处，即让宇宙变得透明而不是不透明，解放了大爆炸产生的化石辐射，使其能够穿过宇宙。我们现在将这种辐射——大爆炸的余辉——视为宇宙微波背景（CMB）。此后，中性氢弥漫在黑暗的宇宙中，可能持续了最初的数亿年，直到宇宙黎明破晓，第一批恒星和星系开始发光。
宇宙学家对黑暗时代特别感兴趣，因为它们提供了宇宙在相对原始状态下的一瞥，没有混淆天体物理效应。那时，中性氢的分布仍然带有原始量子涨落的印记，这些涨落在宇宙历史最初的几分之一秒内被宇宙的快速膨胀深刻地放大了——没有受到恒星、星系和星系团出现的破坏。来自黑暗时代的 21 厘米信号可能带有新物理学或偏离宇宙学标准模型的迹象。“这是一个检验宇宙学的游乐场，”伯恩斯说。
月球背面和上方的第一批射电望远镜将很简单。它们将收集到这个朦胧的、原本看不见的宇宙时间片段的线索。随着更精密的仪器上线，21 厘米信号将以更丰富的细节呈现，使天文学家能够创建氢云的动态、高分辨率地图。
“中性氢的好处在于，它不像 CMB 那样只是时间的快照，”牛津大学的克里斯蒂安·扎布·阿达米说。通过跟踪宇宙时间中波动的 21 厘米信号，望远镜可以绘制早期宇宙从黑暗时代一直到宇宙黎明甚至更远的演变历程。黎明之后是再电离时期，当时来自第一批大质量恒星和其他剧烈天体物理现象的辐射充分地重新加热了剩余的中性氢，将其转变回等离子体。那个时期最终熄灭了 21 厘米信号。
背面先驱
一些探路仪器已经在运行中。它们是中国嫦娥四号着陆器在月球背面以及名为鹊桥的月球轨道器的一部分，鹊桥将着陆器的信号中继到地球。鹊桥于 2018 年 5 月发射，嫦娥四号于 2019 年 1 月到达月球表面。“这是首次在月球背面实现软着陆，”国际月球探测工作组执行主任、阿姆斯特丹自由大学行星科学家伯纳德·福英说。“这是一个巨大的成功。”
嫦娥四号和鹊桥都携带了无线电天线。但是，鹊桥上的天线是与荷兰科学家合作建造的，并没有完全展开，而嫦娥四号的单天线受到来自着陆器电子设备的射频干扰 (RFI) 的阻碍。未来的黑暗时代调查月球飞船可以包括额外的屏蔽层，以最大程度地减少 RFI。它们还可以跨越数十或数百公里的月球土壤部署多个天线。
背面天文学的下一个准备阶段将从今年 10 月发射的 ROLSES（月球表面光电子鞘层无线电波观测）开始。ROLSES 将搭乘由 NASA 授权的私人开发的着陆器前往月球，作为该航天局商业月球有效载荷服务计划的一部分。尽管它将在月球近侧的月洋区着陆，但 ROLSES 表征月球土壤产生的 RFI 的任务对于未来识别背面其他无线电信号至关重要。“这是真的，”ROLSES 团队成员伯恩斯说。“我已经为此工作了 35 年。这真的要发生了。”
另一项表征月球射频干扰的任务——月球表面电磁实验 (LuSEE)——计划最早于 2024 年发射。“LuSEE 将前往背面，”伯恩斯说。“它将前往薛定谔撞击盆地。”携带 LuSEE 的着陆器也可能携带另一个有效载荷：DAPPER（黑暗时代偏振计探路者），这是一种用于探测宇宙黑暗时代 21 厘米信号的望远镜。“DAPPER 最初设计为绕月轨道飞行器，但它可能会搭载在这个着陆器上，”伯恩斯说。“NASA 资助我们研究 DAPPER 的任务概念。我们将准备就绪。”
无论是轨道飞行还是在月球表面，DAPPER 都将仅限于一个位置的一组偶极天线。但天文学家有更雄心勃勃的计划，即在月球上部署天线阵列。这些阵列将来自分布在广大区域的各个天线的信号组合起来，充当分辨率远高于单个天线可能达到的望远镜，并且可以有效地精确定位天空中的源。
阵列时代
中国科学院国家天文台的陈学雷认为，月球轨道是创建黑暗时代测绘月球阵列的最佳近期地点。多个卫星上的天线可以配置成一个阵列，当卫星都在背面时进行观测。“这是一个成本适中的小型实验，我们可以用当前的技术完成它，”陈说。
暂定计划要求由五到八颗卫星组成的编队飞行，以形成一个阵列。其中一颗卫星将是一艘更大的母船，它将承载大部分用于接收和组合来自其他卫星的信号，然后将结果中继到地球的电子设备。“我们希望将它们作为一个组件发射，然后它们将逐个释放，”陈说。
由于月球崎岖的地形和威胁航天器的14天漫长月夜的寒冷，将这样的阵列放置在背面表面将更具挑战性。为了开始为此类任务做准备，福英的团队正计划测试使用德国航空航天中心设计的机器人探测车部署无线电天线。该测试将于六月在西西里岛埃特纳火山的山坡上进行，埃特纳火山是一座活火山，旨在作为月球表面的替代物。科学家将远程控制探测车；每个探测车将携带四个天线箱。“我们将把它们放置在不同的配置中，以表明我们将来能够在月球上做到这一点，”福英说。
在月球背面部署无线电阵列的另一种方法是简单地从轨道飞行器上投下天线，让它们在可能的地方着陆并展开。阿达米和他的同事正在研究这样一个想法：一种低频干涉仪，旨在精确测量无线电发射的特性，涉及 128 个分形“微型站”。每个站都有八个臂，每个臂组合了 16 个螺旋天线。“我的想法是，这些天线从卫星上掉落，并全部落在月球表面的不同部位，”阿达米说。
为了最大限度地减少移动部件的数量，该团队已经弄清楚如何将这些天线打印成扁平薄片，这些薄片在月球表面展开后将呈现最终形状。“您可以像打印报纸一样快速地打印天线。在过去的四五年里，我们一直在测试这项技术，”阿达米说。“我们正在制作这些螺旋天线的原型。”他补充说，下一步是科学家们设计一个微型站，并从无人机上将其投放到偏远地区，例如西澳大利亚州的干旱地区，以查看它是否会展开。
与此同时，伯恩斯还在领导一项 NASA 资助的概念研究，以建造另一架月球射电望远镜，恰如其分地称为 FARSIDE（用于研究黑暗时代和系外行星的背面阵列）。为了设计 FARSIDE，伯恩斯和共同首席研究员、加州理工学院的格雷格·哈利南与 NASA 的喷气推进实验室合作。科学家们正在寻求使用 NASA 资助的月球着陆器着陆 4 个探测车和 256 个天线的有效载荷，总计约 1.5 公吨。探测车将部署天线，将它们像四朵花瓣一样散布在一个直径为 10 公里的区域内。“我们可以用当前的技术做到这一点，”伯恩斯说。“所以这一切看起来都非常可行[在]十年后的晚些时候。”