Eyes in the Sky

月球背面是觀測宇宙的理想之處，既無大氣、不受無線電干擾且地質平穩，適合無線電、重力波及紫外線等觀測方式。

撰文／郝立特（Joseph Howlett）　翻譯／李昫岱

郝立特（Joseph Howlett）
Scientific American 的採訪記者。

重點提要

❶ 月球背面是太陽系中最安靜的無線電觀測點，能有效阻絕來自地球通訊與太陽的干擾訊號。
❷ 此外，把儀器設置在月球背面將有機會觀測宇宙黑暗時代的21 公分波長訊號，補足宇宙大霹靂後的數據空白。
❸ 月球的地質平靜，也適合各種干涉儀進行探測，收集地球無法接收的中間波段重力波與紫外線訊號。

儘管美國政府正對基礎科學研究經費上下其手，不過他們肯定仍然願意砸重金重返月球。

阿緹米絲2 號任務只是美國航太總署（NASA）月球探索的開端，接下來還有載人和機械載具的探索計畫，將搭載不少到月球進行突破性的研究。

月球上可學之事甚多，其中大部份跟月球本身有關，包括月球的起源之謎、月球的歷史和蘊藏的關鍵資源。由於地面和太空計畫的經費日益吃緊，天文學家開始把月球視為一個更穩定、有望開展野心勃勃的宇宙研究的絕佳舞台。


▲隱身其中：阿緹米絲2 號任務太空人拍攝了這幅月球背面影像。月球可阻隔來自地球的通訊電波等干擾，讓月球背面成為搜集宇宙無線電訊號的最佳場所。
不受無線電干擾的秘境

美國紐約州布魯克海文國家研究所（Brookhaven National Laboratory）的物理學家斯洛薩爾（Anže Slosar）希望在月球背面設置無線電波望遠鏡，不過他在幾年前放棄這個夢想。因為這項計畫太燒錢，而且其他人認為這不是那麼有趣。他回憶道：「阿波羅計畫登月後，普遍的想法是『我們做到了，一切到此為止。』」情勢在美國總統川普第一次執政時出現轉變。有一天，斯洛薩爾收到一封來自美國能源部計畫主管的電子郵件，問他是否仍認為在月球背面建造無線電波望遠鏡可行，以及是否願意擔任這項計畫的主持人。這是他職業生涯裡最簡單的決定，他回覆：「當然好！」他回憶道：「這改變了我的一生。」

斯洛薩爾之所以執著於在月球建造無線電波望遠鏡，源於地球上的種種限制。地面上的無線電波望遠鏡只能接收到有限範圍的波長，因為高層大氣吸收太陽的紫外線後，激發了氣體分子，於是失去電子後形成離子。這些帶電粒子形成電離層（ionosphere），對大多數無線電波來說，電離層就像一面巨大的鏡子，會阻隔來自宇宙的無線電訊息。

把無線電波望遠鏡送上太空也非萬靈丹。無線電天文學家需要非常靈敏的太空望遠鏡，太靈敏反而輕易遭地球上發出的通訊電波干擾。如果要觀測遙遠的星系和遠方的天體，就需要一個既無大氣、又不受通訊電波干擾的地方。

▲聚光成像：阿緹米絲恆星成像儀（AeSI）將運用安裝在月球車上的鏡面陣列，拍攝遙遠恆星各個演變階段的高解析度影像。
月球背面正是絕佳觀測處

這樣的地方當然存在，而且離我們不過一步之遙。月球受地球潮汐鎖定，同一個半球永遠背對著我們。月球本身就像隔離遮罩，讓月球背面免受嘈雜的地球無線電干擾。這個情況跟2026年4 月6 日獵戶座太空船飛掠月球時，受到月球阻隔一樣，造成休士頓地面控制中心與阿緹米絲2 號太空人斷訊40 分鐘。斯洛薩爾說：「只要時機恰當，月球背面可以免除太陽與地球的干擾。對無線電波觀測而言，那裡是太陽系最寧靜的地方之一。」

這個無線電波的波長範圍，正是研究宇宙神秘歷史的重要波段。

我們能夠看見宇宙最古老的影像是宇宙微波背景（CMB），宇宙微波背景起源於大霹靂（big bang）發生後的38 萬年，早期宇宙原本充滿炙熱、高密度的電漿，當溫度降低到能形成氫原子，殘留的熱輻射（光）就是宇宙微波背景。這與地球電離層裡的大量電子隔絕無線電波的原理相似，早期宇宙的自由電子也會阻隔光線，當自由電子與質子結合成為氫原子後，光就能從幾十萬年的原始濃霧中分離，自由地穿越宇宙。現在我們觀測到無所不在的無線電漫射光，就是宇宙的「最後散射面」（last scattering surface）。

在那之後的幾億年間，我們對宇宙的了解非常有限。因為宇宙充滿低溫氫原子，而氫原子幾乎不發光。一直等到恆星與星系形成後，它們發出的光和熱，使部份氫原子再游離，我們的望遠鏡才得以窺見宇宙的結構。

儘管如此，這個稱為宇宙黑暗時代（cosmic dark ages）的階段還是有一點光，這是氫原子發出的微弱21 公分波長無線電波。使用地球上的儀器，天文學家可以偵測到一些21 公分波長的宇宙訊號，但是要在訊號差、不完整的資料中拼湊出全貌，幾乎是不可能任務。要描繪出宇宙黑暗時代的壯闊全貌，必須研究低溫物質如何合併形成巨大結構，科學家認為月球背面是目前最好的研究基地。

月球表面電磁實驗（LuSEE-Night）是美國能源部和NASA 合作的計畫，預計2026 年12月發射前往月球背面，這就是斯洛薩爾大展長才之處，他目前是美國能源部該計畫的主持人。LuSEE-Night 將隨著藍色幽靈號（Blue Ghost）飛往月球，這艘登月艇由螢火蟲太空（Firefly Aerospace）建造。螢火蟲太空參與NASA 持續推動的商業月球酬載服務（CLPS）：由私人企業建造並操控登月艇，把太空船、實驗儀器和酬載運送到月球表面。

一旦LuSEE-Night 抵達月球， 要面對最大的挑戰是月球夜晚的低溫，一個月球夜相當於14 個地球日。平克佛洛伊德（Pink Floyd）的專輯標題「月之暗面」（The Dark Side of theMoon）可能誤導過你，實際上月球的背面並不全是黑夜。當夜晚來臨，月球將成為險惡之地，只有少數儀器能撐過漫漫長夜。這項任務將率先證實可在月球背面建造並運作更大、更強的無線電波望遠鏡。

天文學家開始把月球視為一個更穩定、有望開展野心勃勃宇宙研究的絕佳舞台。

重力波偵測三重奏

對研究宇宙重力波的年輕天文學家來說，免費的月球之旅就像美夢成真一樣。

僅在11 年前，科學家開始使用雷射干涉儀重力波觀測站（LIGO）尋找微弱的重力波，LIGO 運用雷射感測時空的細微變化，進而找出兩個巨大黑洞合併的事件。

雷射干涉儀太空天線（LISA）是歐洲太空總署的未來任務，可說是太空中的LIGO，這將延續LIGO 帶來的革命性影響。LISA 最快於2035 年升空，能比LIGO 找到更高的質量範圍，也就是找到質量更大的黑洞合併事件，而且還能偵測雙星在死亡迴旋前緩慢轉動的重力漣漪。這兩類事件形成的重力波，兩波峰間相距太遠，遠達幾百萬公里，無法用地球上的儀器探測。

要完整探測重力波的光譜範圍，科學家把目光放在月球。雷射干涉儀月球天線（LILA）的探測波長介於LIGO 和 LISA 之間，能夠補足兩者之間的空缺。LILA 可以偵測兩顆白矮星合併的現象，已知這會引發超新星爆炸，目前是透過電磁波觀測這種現象。LILA 還能捕捉中子星與黑洞合併前發出的重力波，進而預警LIGO兩星期後偵測這類撞擊。美國范德比爾特大學（Vanderbilt University）的天文物理學家、LILA的計畫主持人賈尼（Karan Jani）表示：「太陽系裡沒有任何地方，可以偵測中間波段的重力波，唯有月球得天獨厚。」

與我們腳下躁動的地球相比，月球在地質上非常平靜。賈尼說：「月球的核心並不活躍。」這表示月球表面擾動非常小，儼然是專屬於中間波段的重力波雷射平台。

基本上，LILA 是由裝設鏡面的月球車組成，計畫團隊希望能夠搭上CLPS 任務的便車。當登月艇在月球表面打開艙門，兩輛裝配鏡面的月球車將往不同方向出發，登月艇與兩輛月球車形成一邊五公里長的三角形。登月艇上的儀器會往月球車發出雷射光束，比較它們之間的距離，距離的精確度達到次原子等級。賈尼說：「老實說，如果美國不打算重返月球，我們也不會思考LILA 計畫。」LILA 團隊希望能夠挺進到計畫的下一階段，這樣可以跟阿緹米絲任務合作，由太空人來操作並維護。

拼接鏡面，窺探宇宙

韋伯太空望遠鏡（JWST）、哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）以及你購買的反射式望遠鏡都採用相同的設計：有一個曲面鏡，把不同角度的入射光匯聚在同一個焦平面。巨大望遠鏡較常使用拼接鏡面，可以收集更多來自遙遠天體的光，拍攝到更銳利的影像，JWST 的主鏡就是由18 塊鏡子拼接而成。

光學干涉術（optical interferometry）是能把望遠鏡的聚光面變大的技術，透過把多個鏡面散佈在更寬廣的區域。這種方式是把各個鏡面連結成一陣列，每個節點把光引導至中央設備，再謹慎地校正並結合訊號，進而等同於一個威力強大的望遠鏡。

NASA 的科學家卡本特（Kenneth Carpenter）打算搭阿緹米絲任務的便車，在月球上建造光學干涉儀。他們提出阿緹米絲恆星成像儀（AeSI）計畫，包括15~30 輛裝設鏡子的月球車，能變換位置並快速調整，鎖定月球空中的任何目標。AeSI 不只是強大的科技先驅，也將觀測銀河裡眾多的恆星。地球的臭氧層會隔絕紫外線，所以地面上的天文台無法觀測紫外線，月球上沒有這個限制，AeSI 有望能透過紫外線研究銀河系裡恆星的動態，而天文學家目前對這個領域所知不多。卡本特說：「我們有高解析度的太陽影像，但是對太陽的動態預報還不夠準確。」太陽是我們最熟悉的恆星，即使是目前最好的模型，都還不足以預測太陽閃焰爆發的時機。科學家寄望AeSI 能擴充恆星資料庫，進而改變預報不佳的狀況。

NASA 預計在2028 年以前登陸月球，並且延續到2030 年代。卡本特表示，太空人進駐月球，對AeSI 也有好處，阿緹米絲的太空人可以協助維護設備。卡本特已經參與哈伯太空望遠鏡計畫幾十年，這個經驗讓他明白一件事：當設備出問題時，最有效率的方式就是當場有人維修。卡本特說：「太空梭和哈伯太空望遠鏡在設計期間就考慮過相互配合。」1993 年的STS-61 任務就是透過太空漫步修復哈伯太空望遠鏡鏡片的嚴重問題。卡本特認為，若不是有太空人參與修復，哈伯太空望遠鏡早已宣告退役。

譯者
李昫岱是中央大學天文博士、「屋頂上的天文學家」主理人。目前的工作是用科學、藝術和文化的角度，解讀、翻譯並傳授天文學，期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好。

欲讀相關文章，請登入《科學人》官網（scitw.cc）〈登月新商機？〉，《科學人》2022年10月號。〈超級日焰威脅通訊〉，《科學人》2022年3月號。〈月之暗面凝望宇宙黑暗時代〉，《科學人》2021年6月號。

… 本文摘錄自 科學人 2026/8月 第294期