月球背面与宇宙黑暗时代

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

如果一切顺利，2019年1月3日，中国国家航天局（CNSA）建造的机器人着陆器和漫游车（嫦娥四号任务）将降落在月球背面。精确的着陆地点是冯·卡门陨石坑，位于月球南极地区更大的艾特肯盆地内，这是一个在科学、探索和自然资源开发方面都备受关注的地点。

但是，如何与一个实际上始终在地球上看不到，隐藏在月球表面的着陆器和漫游车进行通信呢？由于月球没有通信卫星网络，你必须自带。或者更确切地说，就嫦娥四号任务而言，你需要提前几个月发射一颗专用的无线电中继卫星。

月球不像地球那样拥有非常方便的地球同步/地球静止轨道，也没有月球静止轨道。事实上，如果把一颗卫星的轨道周期设置为月球日（27.3个地球日），它将位于月球表面上方约88,000公里处，这超出了月球的“希尔半径”——或者说由于地球和太阳的引力潮汐力而存在稳定轨道的区域。把物体放在那里，它不会停留太久。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。购买订阅有助于确保关于当今世界正在塑造的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

但月球确实有一个拉格朗日-2点。或者更准确地说，地月系统有一个L2点，它沿着连接地球和月球的直线，位于月球背面约64,500公里处。这个位置是旋转的地月系统的向心力与两个天体的引力平衡的地方。换句话说，你可以在这个点附近（在所谓的晕轮轨道中）徘徊，而无需费太大力气，并且可以保持在月球背面的上方，同时又足够靠边以便与地球通信。

早在2018年5月，中国国家航天局就向地月L2点发射了一颗名为鹊桥的中继卫星（以中国著名的民间故事命名），它可以使用4.2米抛物面天线为月球背面提供必要的通信。

但这并不是鹊桥的唯一用途。它还搭载了一个名为荷兰-中国低频探测器（NCLE）的实验，该实验与拉德堡无线电实验室、ASTRON（荷兰射电天文学研究所）和ISIS合作建造。这个实验包含三个5米长的天线，将在嫦娥四号着陆器和漫游车完成主要任务后展开。

这些天线的设计目的是探测低于约80 MHz的无线电频率，甚至低至约80 kHz。低于约30 MHz的频率基本上被地球电离层阻挡，因此如果这些频段中存在任何宇宙来源，你必须从太空中进行监听。

其中最诱人、最有希望的宇宙来源是早期宇宙中的氢气。氢原子可以以1420.4 MHz（或21厘米波长）的频率发射光子——这是一个非常特殊、非常特殊的信号。这种发射帮助射电天文学家探测附近的宇宙中的原子氢，这是我们了解星系结构和旋转方式的方法之一。但是，如果我们探测越来越远的物体，这种发射，就像宇宙中所有其他电磁辐射一样，会因宇宙的膨胀而发生红移。

当我们探测到大爆炸后约37.7万年到大爆炸后约1000万年之间存在的物质——宇宙的“黑暗时代”——氢发射的光子在到达我们这里时，其频率会被红移10到1000倍。这使得它们正好位于NCLE实验旨在探测的频段中。

对于天文学来说，这是无线电频谱中棘手的一部分。例如，地球电离层中的活动仍然会干扰——我们需要知道干扰的程度以便减轻干扰。衡量这一点的一个好方法是将月球放在我们和探测器之间，阻挡大部分地球的噪音。

希望鹊桥上的NCLE实验将为未来更雄心勃勃的项目铺平道路。有一天，我们可能会拥有基于太空的射电望远镜，捕捉到宇宙黑暗时代的低语；大爆炸风暴与恒星诞生之间的平静时期。而且奇怪的是，我们将为此感谢月球背面。