月球背面與宇宙黑暗時代

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如果一切順利，2019年1月3日，中國國家航天局（CNSA）建造的機器人著陸器和漫遊車（嫦娥四號任務）將降落在月球背面。精確的著陸地點是馮·卡門隕石坑，位於月球南極地區更大的艾特肯盆地內，這是一個在科學、探索和自然資源開發方面都備受關注的地點。

但是，如何與一個實際上始終在地球上看不到，隱藏在月球表面的著陸器和漫遊車進行通訊呢？由於月球沒有通訊衛星網路，你必須自帶。或者更確切地說，就嫦娥四號任務而言，你需要提前幾個月發射一顆專用的無線電中繼衛星。

月球不像地球那樣擁有非常方便的地球同步/地球靜止軌道，也沒有月球靜止軌道。事實上，如果把一顆衛星的軌道週期設定為月球日（27.3個地球日），它將位於月球表面上方約88,000公里處，這超出了月球的“希爾半徑”——或者說由於地球和太陽的引力潮汐力而存在穩定軌道的區域。把物體放在那裡，它不會停留太久。

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但月球確實有一個拉格朗日-2點。或者更準確地說，地月系統有一個L2點，它沿著連線地球和月球的直線，位於月球背面約64,500公里處。這個位置是旋轉的地月系統的向心力與兩個天體的引力平衡的地方。換句話說，你可以在這個點附近（在所謂的暈輪軌道中）徘徊，而無需費太大力氣，並且可以保持在月球背面的上方，同時又足夠靠邊以便與地球通訊。

早在2018年5月，中國國家航天局就向地月L2點發射了一顆名為鵲橋的中繼衛星（以中國著名的民間故事命名），它可以使用4.2米拋物面天線為月球背面提供必要的通訊。

但這並不是鵲橋的唯一用途。它還搭載了一個名為荷蘭-中國低頻探測器（NCLE）的實驗，該實驗與拉德堡無線電實驗室、ASTRON（荷蘭射電天文學研究所）和ISIS合作建造。這個實驗包含三個5米長的天線，將在嫦娥四號著陸器和漫遊車完成主要任務後展開。

這些天線的設計目的是探測低於約80 MHz的無線電頻率，甚至低至約80 kHz。低於約30 MHz的頻率基本上被地球電離層阻擋，因此如果這些頻段中存在任何宇宙來源，你必須從太空中進行監聽。

其中最誘人、最有希望的宇宙來源是早期宇宙中的氫氣。氫原子可以以1420.4 MHz（或21釐米波長）的頻率發射光子——這是一個非常特殊、非常特殊的訊號。這種發射幫助射電天文學家探測附近的宇宙中的原子氫，這是我們瞭解星系結構和旋轉方式的方法之一。但是，如果我們探測越來越遠的物體，這種發射，就像宇宙中所有其他電磁輻射一樣，會因宇宙的膨脹而發生紅移。

當我們探測到大爆炸後約37.7萬年到大爆炸後約1000萬年之間存在的物質——宇宙的“黑暗時代”——氫發射的光子在到達我們這裡時，其頻率會被紅移10到1000倍。這使得它們正好位於NCLE實驗旨在探測的頻段中。

對於天文學來說，這是無線電頻譜中棘手的一部分。例如，地球電離層中的活動仍然會干擾——我們需要知道干擾的程度以便減輕干擾。衡量這一點的一個好方法是將月球放在我們和探測器之間，阻擋大部分地球的噪音。

希望鵲橋上的NCLE實驗將為未來更雄心勃勃的專案鋪平道路。有一天，我們可能會擁有基於太空的射電望遠鏡，捕捉到宇宙黑暗時代的低語；大爆炸風暴與恆星誕生之間的平靜時期。而且奇怪的是，我們將為此感謝月球背面。