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2014-8-29

月面天文观测的早期尝试

自从20世纪60年代人类发射的探测器第一次造访月球以来,月面作为天文台选址就正式成为了讨论的话题。由于远离大气的干扰,在这里架设天文观测设备的可能性是非常吸引人的。早年曾有过多架探测器尝试过月面天文观测,并取得了不同程度的成功。

前苏联在1970年11月发射的月球车1号搭乘月球17号探测器抵达月面,成为最早的月球车兼最早的行星际探测车,同时它也是月面天文观测的先驱者。它所携带的天文仪器是一台名为伦琴望远镜1号(RT-1)的X射线望远镜,这既是出于月球没有大气不会吸收X射线的考量,也有评估月面天文观测可能性的目的。

月球车1号。图片提供:Soviet Lunar Program

RT-1安装在月球车1号的顶部,可以直指天顶观测。考虑制造和发射过程中的难度,它的结构相当简单,并非当代普遍采用的复杂掠射镜,而只是单像素的X射线光子计数器,其前方的金属准直栅可以让望远镜获得3度的视场,还设有分别用于记录软硬X射线能段信息的两台传感器。

这台望远镜利用月球车身处阴影区的时段巡视天空,前后工作了3个月球日(相当于3个太阴月)有余,堪称最早的月面长期观测站。它每次观测6小时左右,可以借助月球自转扫描宽约3度的带状天区,被测天区囊括了天鹅圈、银道等热点目标外加若干已知的亮源。虽说受限于当年的仪器灵敏度与分辨率,RT-1并没有作出划时代的发现,但它充分说明了月面天文观测的潜力。

RT-1在月球车1号滞留月面的第2-4个月球日期间所观测的天区图,图中不同符号表示的平行虚线是一个月球日之内天顶走过的路径,黑色实线表示银道的位置。图片来源:Drew Ex Machina

两年多之后的1973年1月,月球车1号的后继者——月球车2号由月球21号探测器携带升空。与前任一样,这辆配置更优也更重的月球车也携带了观测X射线的望远镜。此外它还配备了AF-3L天体光度计,这台脱胎于20世纪60年代宇宙系列卫星同类仪器的设备以测量月球上的天空在可见光波段波长544纳米的黄光部分(相当于V波段)以及紫外波段268纳米附近的背景亮度为科学目标。

虽然月球上不存在大气,哪怕在白昼,天空仍旧是一片漆黑,但地表附近月尘散射的阳光也可能产生相当强的辉光,干扰可能的昼间观测。在持续两个月的工作期间,AF-3L在昼间进行的9次测量表明,月面白昼的亮度相当于地球上满月之夜的13到15倍之多,远远亮于先前的预期,这显然会对可见光观测造成不可忽略的影响。

月球车2号AF-3L天体光度计的外观(箭头所指)。图片提供:A. J. LePage

AF-3L对月球夜晚以及朦影时分(太阳位于地平线之下1度)的天光亮度分别进行了两次和一次测量。进行朦影测量有弥补昼间亮度过高光度计读数溢出的考虑。夜晚的测量因为受到低温的影响,遭遇了一些困难,不过最终还是取得了与先前卫星估测一致的结果,说明天光只会受到天体的影响。虽然昼间测量为众多月球迷泼了冷水,让一度设想的月面持续天文观测变得很不现实,但夜间测量结果还是很明朗的,毕竟这里并不存在烦人的大气散射与光污染。

与此同时,美国的阿波罗计划也不甘落后。1972年的阿波罗16号亮点之一就是在月面部署了S201远紫外照相机/光谱仪,科学目标以天体观测为主。选择远紫外也是因为这一波段受地球大气强烈的吸收,必须在太空进行观测的缘故。哪怕对于地球低轨道卫星来说,地冕中的氢氧原子辐射也会对远紫外研究带来难以避免的干扰,因此没有大气且远离地球的月面是探索这一波段的理想地带。

部署在月面上的S201远紫外照相机/光谱仪。图片提供:NASA, Apollo 16

S201采用了施密特望远镜式结构。主镜口径为3英寸(约7.5厘米),它反射的紫外光在焦面处的溴化钾光阴极上成像,光阴极发出的电子再经由25千伏电场加速和磁场会聚,在35毫米胶片上留下记录。在30分钟的曝光时间里,S201可以以3角分的分辨率记录下最暗达到11等的远紫外天体。

由于需要使用胶片拍照,且照相机的指向要依靠宇航员人工调整,S201的工作时间受限于阿波罗16号登月舱在月球上的滞留时间。登月后,宇航员John Young很快完成了照相机的安装部署。为了压暗天光背景并且保持合适的工作温度,照相机是安置在登月舱阴影中的,而电池组则放在亮处。在总计3天的工作时间里,S201工作顺利,它在两个波段上观测了10个各宽20度的天区,覆盖了全天的7%,记录下的天体包括各个星云、星团、大麦哲伦云等。

S201在远紫外波段拍摄的地冕,其中昼半球因为反射了大量阳光而显得很明亮,夜半球的亮带要归结为极光所致。图片提供:G. Carruthers (NRL) et al., Far UV Camera, Apollo 16, NASA

虽然S201不比两辆月球车携带的仪器,没能进行持续数月的长期月面观测,但研究者还是利用它拍下的178张照片在未来十余年内发表了大量的论文。利用除了紫外天空,S201还将目光瞄准了地球,人们第一次完整地获知了地冕的外貌。之前专事紫外观测的轨道天文台2号饱受地冕的影响,能力受限,现在具体原因也终于浮出了水面。

现在看来,真正进行有科学价值的月面天文观测还尚待时日。不过除了月面天文观测,未来另一条可行的道路可能要数发射环月望远镜了,这样既可以尽量避免地球大气的干扰,充分利用太空的优越环境,还能免受月球漫长白昼的限制,而且从技术上看,将大型望远镜送入环月轨道也比在月面架设容易很多。1973年发射的射电天文卫星RAE-2号可以算是这方面的先驱者,只是月球复杂的引力场为飞行操控带来了不小的挑战,这也是一切环月任务所必须要面对的。但话又说回来,把望远镜送向月球,或许还不如更进一步直接奔向拉格朗日点对观测更为有利,恐怕这也是环月天文卫星迟迟不见踪影的重要原因吧。

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