為了探索浩瀚的宇宙，科學家們想了無數的法子，也燒了無數的錢打造了無數的裝備，天文望遠鏡便是其中之一。
望遠鏡是怎麼工作的？
說起望遠鏡，許多人都會很自然地想起雙筒望遠鏡，它的確很常見，也便宜。更好更貴的通常用來觀鳥，而狂熱的天文愛好者會花幾萬元去買那種觀星的望遠鏡。
無論是業餘或是專業，也不管貴還是便宜，光學望遠鏡的原理都差不多：那就是通過一組光學鏡片將遠處射來的光線匯聚成像，將遠處的景物放大，使細節更加清晰。
光學望遠鏡的原理
天文愛好者們的設備儘管昂貴，但天文學家們對此常常是嗤之以鼻的，因為這些望遠鏡用來看看月亮、拍拍銀河或星雲還勉強湊合，但對於天文學研究來說並沒什麼價值。在天文臺的大傢伙面前，這些東西如同玩具一般。
光學天文望遠鏡
天文望遠鏡接收到的是光。隨著科學家對光認識的逐漸加深，他們發現光其實是一種電磁波，而我們肉眼能看到的可見光僅僅是宇宙星光頻譜中的一小部分。絕大多數天體發出的γ射線、X射線、紫外線、紅外線、微波以及波長更長的無線電波充滿著我們的宇宙，但這一切僅憑我們的光學望遠鏡是無法看到的。
可見光只是電磁波頻譜中的一小部分
比如說：星系中最廣泛存在的原子氫，它發出的電磁波頻率為1420MHz；甲醇和水激子的頻率有6GHz、12和23GHz；而恆星形成區域中大分子氨氣發出的光波頻率大約也是23GHz。對於宇宙中這些物質的探索，我們無法使用傳統的光學望遠鏡，而需要用到射電望遠鏡來接收電磁波。
口徑即正義
“口徑即正義”通常用在軍事上，它指的是當你的大炮口徑越大，你的炮彈能打得更遠，你就更能夠掌握戰爭的主動權。這句話用到天文觀測上也沒毛病。
在光學天文望遠鏡時代，科學家們就一直不遺餘力地打造越來越大的望遠鏡，無奈咱們地球有厚厚的大氣層，這使得光學望遠鏡的成像效果大打折扣，最後發現口徑僅2.4米的哈勃太空望遠鏡比地面上10米口徑的望遠鏡要清晰得多。
哈勃太空望遠鏡不受大氣層干擾
當然了，如果不是受資金限制，科學家們原本是打算把哈勃望遠鏡的口徑做到3米的。
射電望遠鏡受大氣層衍射的影響要小得多，理論上它可以做得更大，以便可以接收更多的電磁波信號。
然而單臺大口徑射電望遠鏡不僅耗資巨大，由於地球重力場的影響，其建造難度也極大，到目前為止只有中國在貴州建成了一臺口徑達500米的球面射電望遠鏡“FAST”，由於主鏡面是固定在地面，FAST不能移動，只能依靠移動饋源艙來實現對目標的跟蹤定位，因此FAST的實際使用反射面直徑大約為300米。儘管如此，它依然是全球最大的單臺射電望遠鏡。
FAST口徑達到500米
在沒有超大型射電望遠鏡的前提下，科學家們為了得到“更大的口徑”，以獲得更高的觀測精度，他們想出了一個法子——使用多臺小一些的射電望遠鏡天線，將這些天線構成一個陣列，用無線電干涉的辦法組成一臺虛擬的大口徑望遠鏡天線，從而獲得更高的信號分辨率。
射電望遠鏡陣列
理論上，利用超長基線無線電干涉的辦法可以模擬一臺超大口徑的射電望遠鏡，其直徑相當於地球直徑大小。2019年，全球多個國家和地區的多臺射電望遠鏡共同合作，經過長時間的觀測和複雜計算，獲得了全球第一張黑洞的“照片”。實際上，射電望遠鏡並不能拍攝出照片來，它接收到的只是一些電波信號，只有通過科學家們對電波信號的解讀，以及複雜的計算，人們才能還原出遙遠天體的圖像，並且這結圖像所表達的並非可見光信息，而是某些特定元素輻射的信號。
用節點虛擬出一臺超大口徑射電望遠鏡
地球上的干擾
儘管在射電望遠鏡接收的主要電磁波（波長7.5cm~15m）頻段，大部分的電磁波都可以順利穿過地球大氣層，但對於天文學家而言，地球表面的電磁環境並非完美。
一方面我們地球本身存在磁場，地球內部電磁波通過大氣電離層的反射，在低頻頻段上形成嚴重的雜波干擾；與此同時，地球表面有眾多的無線電通信設備發出複雜的電磁波信號，這些信號中的一部分也會在電離層中來回反射形成干擾波；在地球大氣層外運行著數千顆人造衛星，這些衛星有時會穿越望遠鏡的視角，同時它們也會發射電磁波。因此，射電望遠鏡需要過濾掉各種複雜的電波，而那些來自遙遠星系的微弱信號也一併被抹去了。
地球本身是個電磁波干擾源
為了消除地面雜波的干擾，科學家們被迫將視線轉向太空，試圖在遠離地球的地方為射電望遠鏡找一個“乾淨”的落腳點。月球背面就是這樣一個理想的去處。
月球的優點
作為地球唯一的一顆衛星，月球始終在大約36萬公里的距離繞著地球運轉。由於潮汐力的作用，月球自轉的速度與它繞地球公轉的角速度基本相同，這意味著月球始終有一面正對著地球，而它的另一面大約有90%的面積在地球上看不見，我們將背對著地球的那一面稱作“月球的背面”。
月球始終有一面背對地球
由於月球距離地球比較遠，它自身就像是一個龐大的濾波器遮擋了地球上的電磁波，並且圍繞月球飛行的人造衛星寥寥無幾，因此月球背面幾乎不會受到地球電磁雜波的干擾。實際上自1964年以來，天文學家們一直夢寐以求在這裡建設大型射電望遠鏡。
1992年，美國休斯公司計劃在月球背面的恰普雷斯環形山建設一個巨大橢圓形的天線，並向地月拉格朗日L2點發射中繼衛星，他們設計了8年，最後沒搞成。
1993年、1997年和2015年，美國和歐洲又分別搞了ILFOSS計劃、VLFA計劃、FARSIDE計劃，都是想在月背建設射電望遠鏡，最後無一例外全都不了了之。
嫦娥四號
嫦娥四號搭載了射電望遠鏡
到目前為止，唯一成功在月球背面搭建深空探測平臺的，只有中國的嫦娥四號月球著陸器。
2018年底，嫦娥四號在月球背面艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑的預選著陸區成功著陸，它一次就攜帶了4個極低頻射電觀測設備，覆蓋的頻段從0.1MHz到40MHz，頻譜分辨率從5KHz到100KHz，動態範圍在75dB以上。與此同時，我們的科學家還與荷蘭共同研發了一臺低頻探測器NCLE，NCLE搭載在“鵲橋號”中繼衛星上，在地月拉格朗日L2點探測宇宙黑暗時代信號、太陽系行星極光輻射、測定所在位置微波輻射強度、研究地球電離層等。這些試驗都取得了圓滿成功，並且獲得了相當多的科學數據。
嫦娥四號利用鵲橋衛星實現月球背面信號傳輸
NASA的設想
由於嫦娥四號的成功，讓全球的科學家們重新點燃了在月球建設深空探測基地的希望。2020年4月初，也就是前不久，美國NASA資助了一項名為LCRT的研究項目。
LCRT是“月球環形山射電望遠鏡”的簡稱，它計劃在月球背面尋找一個直徑3~5千米的隕石撞擊坑，利用撞擊坑自然的拋物面內壁建設望遠鏡反射面。如果建成，它將超過中國貴州的FAST，成為全球最大最靈敏的射電望遠鏡。
LCRT計劃
LCRT設想建設的望遠鏡可以實現對30MHz以下頻率電磁波的探測，並且由於其口徑巨大，還可能通過觀察10-50m波段（即6-30MHz波段）中的早期宇宙來實現宇宙學領域的巨大科學發現，由於地球大氣層對大於15m波長的電磁波不透明，這是人類迄今為止對宇宙認識的空白區域。
貴州的500米口徑FAST射電望遠鏡耗資約1億美元，對於動輒數十億美元計的天文設備來說這不算什麼，但如果在遙遠的月球上建設巨型望遠鏡，資金和技術都將成為巨大的障礙。
為了省錢，LCRT團隊計劃向月球發射若干個機器人，讓機器人在隕石坑裡編織一張直徑超過1公里的金屬網，然後在四邊用吊繩連接饋源艙接收信號；信號經過處理後由設置在地月拉格朗日L2點的中繼衛星傳回地球。嫦娥四號也是這樣做的作業。
利用機器人建造射電望遠鏡
地球不香了嗎？
與遙遠的月球相比，地球明顯佔著天時地利的優勢。只要錢夠，我們便可以很從容地選址，找到類似FAST那樣的喀斯特地貌建設巨型的射電天文望遠鏡。事實上FAST只是計劃中巨型射電望遠鏡陣列中的第一臺。
地球最大的劣勢在於越來越嚴重的電磁波汙染。大氣電離層會反射電磁波，還會屏蔽掉我們需要的電磁波信號，同時越來越多的小衛星也是天文學家們揮之不去的惡夢。
所有這一切煩惱在月球上都不存在，那裡最大的優點就是乾淨。
而月球的缺點也很明顯，那就是技術複雜，不容易實現，並且相當燒錢。設想早已有之，NASA的12.5萬美元頂多夠畫幾張PPT而已，在未來相當長的時間裡，我們不會看到美國在月球上建設的巨型望遠鏡。
