面积题及答案100道
美国科学家大胆设想!他们将要建造最新的射电望远镜,其面积达到了惊人的100平方公里,远远大于我们的中国天眼。不仅如此,这款望远镜甚至不是在地球上建造,而是要建在月球上!
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这听起来有点不可思议,但科学家们确实早就想去月球建造望远镜了。
我们知道,月球只有一面能够朝向地球,这就是月球的正面;另一面永远看不到地球,也叫做月球的背面。科学家认为,月球背面就是人类已知最佳的射电望远镜选址之一。
为什么中国天眼要建在贵州的山沟沟里?就是为了避免人类电子设备产生的干扰。这种干扰看似微弱,但会给射电天文观测带来巨大的干扰,因此参观者甚至连手机都不能携带。相比之下,月球直径达到了3476公里,其庞大的身躯可以完全屏蔽来自地球的电磁干扰。
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既然地表不行,我们能不能将这种望远镜建设在太空呢?答案同样是否定的。在太空中,来自太阳风的等离子体噪声将会干扰射电天文学的观测。相比之下,月球可以提供一个等离子体空腔,屏蔽这种干扰。可以说,月球背面是最近、最完美的电磁波宁静区。
几十年前,科学家就有这样的想法了。最近,美国天文学家和工程师们指出:未来已至,人类已经具备了实现这一壮举的能力,可以着手准备了。
他们将这个项目命名为“用于黑暗时代和系外行星的无线电科学调查的月背阵列”,简称为FARSIDE,恰好就是(月球)背面的含义,我们姑且称之为月背计划。根据我们在2020年介绍的上一个FARSIDE概念中,月背望远镜的口径大约有1公里。
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加州理工学院天文学教授Gregg Hallinan是该概念的研究者之一,他提出的设想更加宏大,其占地面积将超过100平方公里!
Hallinan向我们描述,该望远镜可以对宇宙中的其他恒星拍摄出前所未有的射电图像,帮助我们了解它们的日冕物质抛射和高能粒子事件等,还能帮助我们了解其宜居带内的系外行星周围的磁层,这对于一颗行星的宜居性来说至关重要。
它也可以用于研究我们自己的恒星——太阳的活动,也可以观测太阳系其他天体,甚至有望回答第九大行星是否存在的谜题。它甚至可以观测宇宙的黑暗时代,也就是宇宙的早期历史,那个时候宇宙中几乎没有恒星和星系,这段历史一直是天文学家最好奇的话题。
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为了满足这方面的研究,研究人员设计的这一款望远镜可以在极低的无线电频率下进行观测,其频率为3MHz。利用他们设计的双极化偶极子天线的阵列,月背望远镜的灵敏度可以比地表提高100倍,获得前所未有的超强观测能力!
说了这么多,美国人到底要怎样建造呢?要知道,他们现在连宇航员都送不到月球上,更何况建造望远镜!
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不过,建造望远镜未必需要人类亲自上月球,美国宇航局的机器人就有望完成这项任务。
其实这些年来,美国宇航局喷气推进实验室(JPL)一直在开发Axel系列漫游车。它的外形很像平衡车,但是体型更大,并且可以组合成为四轮车。Axel很擅长在球表面进行无人工作,并且能够在陡峭、崎岖的地形上工作。经过20多年的发展,其功能已经非常强大,并且一直在等待着适合自己的任务。
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除了和JPL合作之外,他们还看中了蓝色起源的蓝月着陆器。蓝色起源是很强大的私人太空公司,掌门人就是前世界首富杰夫·贝佐斯。该公司的首席科学家Steve Squyres,更是美国宇航局勇气号和机遇号两大火星车的主要研究人员,经验丰富。
建成之后,望远镜运行所需的能源也是一个问题。研究人员指出,他们可以采用多任务放射性同位素热发电机(MMRTG)提供电力。而且,如果能够使用蓝月着陆器,他们还能够改进这方面的设计。
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就算不需要人,建造望远镜的材料该如何运输呢?实际上,该望远镜和我们的中国天眼并不完全相同,虽然都叫射电望远镜,但美国准备在月背建造的是射电望远镜阵列。这种望远镜不需要像天眼一样采用一块块的反射单元,也不需要像光学望远镜一样采用镜片,甚至连地球表面望远镜阵列的天线都用不上,而是采用特殊的系绳。
根据Hallinan的设想,这种系绳呈扁平状,厚度仅有1~2毫米,其中有嵌入式天线,并且具备光学通信和导电的能力,只需按照设计的图样铺在月球背面即可。
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具体来说,建造该望远镜需要利用Axel漫游车牵引一根长达12公里的系绳,每一根系绳上都有64个远程供电的电子节点。
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研究人员设计了4种不同的阵列分布模式,其中四臂螺旋的形状是最优选择,也就是利用4台漫游车。因为这可以让每一台漫游车行走的轨迹最短,换句话说,系绳的长度可以足够短,对于漫游车的承载能力要求比较低,更容易实现。
按照Hallinan等人的概念来设想,月背计划的望远镜占地面积将超过100平方公里!
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另外还有一个问题,那就是月球表面的恶劣环境。要知道,月球在黑夜中温度可以下降到-100℃以下,这对许多设备来说都是巨大的威胁。不过,JPL的工程师已经设计出了一款新的天线接收器,其电子元件可以在极低温的环境下正常工作,这就不需要额外的加热设施了。
尽管有了这些解决方案,研究人员也不是最终拍板的人。Hallinan指出,如果能够马上展开下一步的工作,那么最早在2028年之前就可以将望远镜的相关设施发射到月球背面。
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至于美国宇航局何时采取这样的行动,那就不好说了。
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