科学家提议在月球陨石坑部署超稳定激光器用于计时

来自JILA、NASA和德国国家计量研究所的研究团队提出了一项计划,拟在月球永久黑暗陨石坑中部署超稳定激光系统,他们认为该设备可以成为月球计时的基石,并帮助航天器更精确地着陆。

这项提议详细阐述在本月发表于arXiv预印本服务器的论文中。该方案充分利用了月球永久阴影区的极端环境条件,这些区域是太阳系中最冷的环境之一。来自科罗拉多州博尔德JILA的主要作者叶军(Jun Ye)及其同事指出,20至50开尔文的温度范围,加上月球天然缺乏振动以及近真空的大气环境,使这些陨石坑成为激光系统的理想部署地点,其性能将超越地球上的任何同类设备。

"整个环境都很稳定,这是关键所在,"叶军告诉《新科学家》。"即使月球经历夏季和冬季,温度仍然保持在20到50开尔文之间。这是一个极其稳定的环境。"

工作原理

该系统将使用低温单晶硅腔来稳定激光。在地球上,此类设备需要复杂的冷却和振动隔离系统。而在月球上,恶劣的环境反而成为优势——永久阴影区提供了天然的制冷条件,并且没有困扰地面实验室的地震干扰。

研究人员计算出,月球系统可以将相干性维持一分钟以上,比目前最好的地面系统长十倍以上。这种极高的稳定性对于精密计时和导航至关重要。

应对着陆挑战

该提案出台之际,各航天机构正在努力应对在月球南极附近着陆的困难,NASA的阿尔忒弥斯计划下的载人任务预计将在该区域降落。南北极附近的太阳低仰角会投射出极长的阴影,这些阴影会干扰光学导航系统,给精确着陆带来隐患。

本地时间基准可以帮助应对这些挑战。在没有可靠定位系统的情况下,航天器必须依赖视觉线索,而这些线索在阴影地形中变得不可靠。

建立月球时间标准

该提案与建立月球标准化计时系统的更广泛努力相一致。2024年4月,美国白宫指示NASA在2026年底前开发协调月球时间(Coordinated Lunar Time)。由于月球引力较弱,那里的时间每天比地球快约58.7微秒——这一差异给同步操作带来了挑战。

欧洲航天局单独提出了NovaMoon项目,这是一个为其Argonaut登陆器配套的导航和计时站,将整合原子钟和激光反射器。Ye的团队认为,他们的超稳定激光器可以补充这些努力,为月球卫星网络和地面设施提供分发稳定光信号的骨干网络。