月球背面是一個既陌生又荒涼的區域，與我們每晚從地球上看到的熟悉且大多平坦的正面截然不同。1959年，蘇聯的 Luna 3 探測器拍攝了該隱蔽區域的第一批照片。影像顯示的不是廣闊的平原，而是一片山峰聳立的月球景觀。此後的觀測表明，月球背面也佈滿了崎嶇的隕石坑，而在這些隕石坑內還有更多的隕石坑。不久之後，這片崎嶇的地形以及它上方的空間將擁有更加奇特的特徵：它將遍佈射電望遠鏡，由新一代的機器人探測車和月球軌道器部署。
天文學家正計劃將月球遙遠的背面作為我們觀測宇宙黑暗時代的最新也是最佳視窗，這是一個神秘的時代，隱藏著早期恆星和星系的印記。我們的宇宙並非一直都充滿著今天在天空中閃耀的這些明亮天體。大約在大爆炸後38萬年，宇宙冷卻下來，形成了第一批氫原子。巨大的氫元素雲很快充滿了宇宙。但在接下來的數億年中，一切仍然是黑暗的，沒有恆星。然後宇宙黎明來臨：第一批恆星閃爍，星系旋渦般地形成，宇宙的大尺度結構也慢慢成形。
這種結構的種子一定存在於黑暗時代的氫雲中，但使用光學望遠鏡探測那個時代是不可能的——因為那裡沒有光。雖然氫產生了長波（或低頻）無線電波，但地球上的射電望遠鏡幾乎不可能探測到它們。我們的大氣層要麼阻擋要麼干擾這些微弱的訊號；那些穿透大氣層的訊號也被人類的無線電噪聲淹沒了。
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幾十年來，科學家們一直夢想著從月球背面研究宇宙黑暗時代，那裡遮蔽了來自地球的傳輸，並且沒有明顯的大氣層來阻礙宇宙觀測。現在，多個航天機構計劃開展攜帶無線電波探測儀器的月球任務——其中一些任務將在未來三年內進行——天文學家的夢想即將成為現實。
“如果讓我設計一個進行低頻射電天文學研究的理想場所，我必須建造月球，”科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家傑克·伯恩斯說。“我們現在終於要將這些望遠鏡放置在未來幾年的月球上。”
氫的心跳
望遠鏡可以探測到中性氫的想法可以追溯到20世紀40年代，當時荷蘭天文學家亨德里克·克里斯托弗·範·德·胡爾斯特預測，氫原子可以自發地發射電磁輻射脈衝。這種情況的發生是因為每個氫原子都可以在兩個能級之間翻轉，從而在21釐米（或1420兆赫茲的頻率）的波長上發射或吸收輻射。當氣體雲在宇宙尺度上積聚時，這種發射就是氫的“心跳”，可以累積成可探測的訊號。
這種訊號應該在大爆炸後約38萬年首次出現，當時宇宙冷卻到足以讓先前充滿空間的質子和電子聚結成氫原子。除了形成所有後續天體賴以產生的原材料外，這一事件還帶來了額外的好處，即讓宇宙變得透明而不是不透明，解放了大爆炸產生的化石輻射，使其能夠穿過宇宙。我們現在將這種輻射——大爆炸的餘輝——視為宇宙微波背景（CMB）。此後，中性氫瀰漫在黑暗的宇宙中，可能持續了最初的數億年，直到宇宙黎明破曉，第一批恆星和星系開始發光。
宇宙學家對黑暗時代特別感興趣，因為它們提供了宇宙在相對原始狀態下的一瞥，沒有混淆天體物理效應。那時，中性氫的分佈仍然帶有原始量子漲落的印記，這些漲落在宇宙歷史最初的幾分之一秒內被宇宙的快速膨脹深刻地放大了——沒有受到恆星、星系和星系團出現的破壞。來自黑暗時代的 21 釐米訊號可能帶有新物理學或偏離宇宙學標準模型的跡象。“這是一個檢驗宇宙學的遊樂場，”伯恩斯說。
月球背面和上方的第一批射電望遠鏡將很簡單。它們將收集到這個朦朧的、原本看不見的宇宙時間片段的線索。隨著更精密的儀器上線，21 釐米訊號將以更豐富的細節呈現，使天文學家能夠建立氫雲的動態、高解析度地圖。
“中性氫的好處在於，它不像 CMB 那樣只是時間的快照，”牛津大學的克里斯蒂安·扎布·阿達米說。透過跟蹤宇宙時間中波動的 21 釐米訊號，望遠鏡可以繪製早期宇宙從黑暗時代一直到宇宙黎明甚至更遠的演變歷程。黎明之後是再電離時期，當時來自第一批大質量恆星和其他劇烈天體物理現象的輻射充分地重新加熱了剩餘的中性氫，將其轉變回等離子體。那個時期最終熄滅了 21 釐米訊號。
背面先驅
一些探路儀器已經在執行中。它們是中國嫦娥四號著陸器在月球背面以及名為鵲橋的月球軌道器的一部分，鵲橋將著陸器的訊號中繼到地球。鵲橋於 2018 年 5 月發射，嫦娥四號於 2019 年 1 月到達月球表面。“這是首次在月球背面實現軟著陸，”國際月球探測工作組執行主任、阿姆斯特丹自由大學行星科學家伯納德·福英說。“這是一個巨大的成功。”
嫦娥四號和鵲橋都攜帶了無線電天線。但是，鵲橋上的天線是與荷蘭科學家合作建造的，並沒有完全展開，而嫦娥四號的單天線受到來自著陸器電子裝置的射頻干擾 (RFI) 的阻礙。未來的黑暗時代調查月球飛船可以包括額外的遮蔽層，以最大程度地減少 RFI。它們還可以跨越數十或數百公里的月球土壤部署多個天線。
背面天文學的下一個準備階段將從今年 10 月發射的 ROLSES（月球表面光電子鞘層無線電波觀測）開始。ROLSES 將搭乘由 NASA 授權的私人開發的著陸器前往月球，作為該航天局商業月球有效載荷服務計劃的一部分。儘管它將在月球近側的月洋區著陸，但 ROLSES 表徵月球土壤產生的 RFI 的任務對於未來識別背面其他無線電訊號至關重要。“這是真的，”ROLSES 團隊成員伯恩斯說。“我已經為此工作了 35 年。這真的要發生了。”
另一項表徵月球射頻干擾的任務——月球表面電磁實驗 (LuSEE)——計劃最早於 2024 年發射。“LuSEE 將前往背面，”伯恩斯說。“它將前往薛定諤撞擊盆地。”攜帶 LuSEE 的著陸器也可能攜帶另一個有效載荷：DAPPER（黑暗時代偏振計探路者），這是一種用於探測宇宙黑暗時代 21 釐米訊號的望遠鏡。“DAPPER 最初設計為繞月軌道飛行器，但它可能會搭載在這個著陸器上，”伯恩斯說。“NASA 資助我們研究 DAPPER 的任務概念。我們將準備就緒。”
無論是軌道飛行還是在月球表面，DAPPER 都將僅限於一個位置的一組偶極天線。但天文學家有更雄心勃勃的計劃，即在月球上部署天線陣列。這些陣列將來自分佈在廣大區域的各個天線的訊號組合起來，充當解析度遠高於單個天線可能達到的望遠鏡，並且可以有效地精確定位天空中的源。
陣列時代
中國科學院國家天文臺的陳學雷認為，月球軌道是建立黑暗時代測繪月球陣列的最佳近期地點。多個衛星上的天線可以配置成一個陣列，當衛星都在背面時進行觀測。“這是一個成本適中的小型實驗，我們可以用當前的技術完成它，”陳說。
暫定計劃要求由五到八顆衛星組成的編隊飛行，以形成一個陣列。其中一顆衛星將是一艘更大的母船，它將承載大部分用於接收和組合來自其他衛星的訊號，然後將結果中繼到地球的電子裝置。“我們希望將它們作為一個元件發射，然後它們將逐個釋放，”陳說。
由於月球崎嶇的地形和威脅航天器的14天漫長月夜的寒冷，將這樣的陣列放置在背面表面將更具挑戰性。為了開始為此類任務做準備，福英的團隊正計劃測試使用德國航空航天中心設計的機器人探測車部署無線電天線。該測試將於六月在西西里島埃特納火山的山坡上進行，埃特納火山是一座活火山，旨在作為月球表面的替代物。科學家將遠端控制探測車；每個探測車將攜帶四個天線箱。“我們將把它們放置在不同的配置中，以表明我們將來能夠在月球上做到這一點，”福英說。
在月球背面部署無線電陣列的另一種方法是簡單地從軌道飛行器上投下天線，讓它們在可能的地方著陸並展開。阿達米和他的同事正在研究這樣一個想法：一種低頻干涉儀，旨在精確測量無線電發射的特性，涉及 128 個分形“微型站”。每個站都有八個臂，每個臂組合了 16 個螺旋天線。“我的想法是，這些天線從衛星上掉落，並全部落在月球表面的不同部位，”阿達米說。
為了最大限度地減少移動部件的數量，該團隊已經弄清楚如何將這些天線列印成扁平薄片，這些薄片在月球表面展開後將呈現最終形狀。“您可以像列印報紙一樣快速地列印天線。在過去的四五年裡，我們一直在測試這項技術，”阿達米說。“我們正在製作這些螺旋天線的原型。”他補充說，下一步是科學家們設計一個微型站，並從無人機上將其投放到偏遠地區，例如西澳大利亞州的乾旱地區，以檢視它是否會展開。
與此同時，伯恩斯還在領導一項 NASA 資助的概念研究，以建造另一架月球射電望遠鏡，恰如其分地稱為 FARSIDE（用於研究黑暗時代和系外行星的背面陣列）。為了設計 FARSIDE，伯恩斯和共同首席研究員、加州理工學院的格雷格·哈利南與 NASA 的噴氣推進實驗室合作。科學家們正在尋求使用 NASA 資助的月球著陸器著陸 4 個探測車和 256 個天線的有效載荷，總計約 1.5 公噸。探測車將部署天線，將它們像四朵花瓣一樣散佈在一個直徑為 10 公里的區域內。“我們可以用當前的技術做到這一點，”伯恩斯說。“所以這一切看起來都非常可行[在]十年後的晚些時候。”