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媒体报道

中国科学家利用激光技术成功捕捉月球新“镜”回波:天琴计划迈出关键一步

发布时间::2025-08-21 浏览次数:

2025年8月13日,一个看似平静的深夜,却在天文学界掀起了波澜。北京时间凌晨0点37分,在广东珠海的中山大学天琴测距台站,工程师韩西达与吴先霖带领团队,首次成功接收到从月球表面新一代激光反射器NGLR-1返回的激光信号。这一瞬,不仅标志着中国成为全球第四个实现对新一代月球后向反射器进行激光测距的国家,也意味着我国在深空精密测量领域迈出了具有里程碑意义的一步。


在随后的观测窗口中,团队于当日清晨5点39分再次获得38个高质量的距离测量数据点,彻底确认了此次实验的成功。尽管因天气变化导致首次观测中断,仅获取17个有效回波,但这些微弱却清晰的光子信号,已足以让整个团队为之振奋。这是中国科学家首次独立完成对NGLR-1的探测,也是“天琴计划”实施以来又一重大阶段性成果。

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月球上的“宇宙之镜”:人类探索时空的信标


要理解这次探测的意义,我们需要回溯到半个多世纪前。自20世纪60年代末起,人类开启了登月时代。美国阿波罗计划的宇航员先后在1969年至1972年间,于月球表面部署了三块激光后向反射器阵列(Apollo 11、14、15),苏联的月球车Lunokhod 1和2也分别携带了两套反射装置。这些设备虽不起眼——本质上是由数百个角反射棱镜组成的阵列——却构成了地月之间最精确的“尺子”。


激光测月(Lunar Laser Ranging, LLR)技术正是依赖这些反射器。地面观测站向月球发射高能激光脉冲,通过测量光子往返时间(通常约为2.5秒),可将地月距离精确到厘米级。这项技术为验证广义相对论、研究地球自转、月球轨道演化乃至探测暗物质等前沿课题提供了不可替代的数据支持。


然而,由于历史原因,这些上世纪留下的反射器存在局限。例如,它们多为拼接式结构,受月球天平动(libration)影响,反射信号会出现“展宽”现象,降低了测距精度。此外,部分设备因年代久远已无法有效响应信号。


NGLR-1:更小、更精、更强的新一代信标


2025年3月2日,美国“蓝色幽灵”(Blue Ghost)月球着陆器成功登陆月球赤道附近的“风暴洋”区域,并释放了第六个激光反射器——NGLR-1(Next Generation Lunar Retroreflector-1)。这枚仅手掌大小、孔径10厘米的实心单体角反射器,代表了当前月球测距技术的最高水平。


与以往拼接式阵列不同,NGLR-1采用一体化设计,材料为熔融石英,具备更强的热稳定性和抗辐射能力。其结构紧凑,无需复杂组装,可在无人值守状态下长期运行。更重要的是,它能有效抑制因月球轻微摆动造成的测距误差,显著提升测量精度,有望将地月距离测定推进至毫米级时代。


“我们要在38万公里外,精准打中一个直径10厘米的目标,并捕捉到它反射回来的极少数光子。”吴先霖解释道,“这就像在地球上用手电筒照射月球上的一枚硬币,还要看到它反射回来的光。”


正因如此,即便拥有先进设备,全球仅有少数几个国家具备探测NGLR-1的能力。此前,仅法国、德国和美国的观测站报告成功捕获其回波信号。中国此次的成功,使我国跻身该领域的国际第一梯队。


天琴计划:从地月测距到聆听宇宙“引力涟漪”


此次突破并非偶然,而是中山大学主导的“天琴计划”长期布局的结果。该计划由中国科学院院士罗俊于2014年提出,目标是在距地约10万公里的高椭圆轨道上,部署三颗完全相同的卫星,构成边长约17万公里的等边三角形编队,形成一座空间引力波天文台。


引力波是爱因斯坦广义相对论预言的时空涟漪,由剧烈天体事件(如黑洞合并)产生。地面探测器(如LIGO)擅长捕捉高频引力波,而天琴计划则专注于毫赫兹频段的低频信号,有望探测超大质量黑洞并合、极端质量比旋进等宇宙级事件。


而月球激光测距,正是“天琴计划”关键技术的地面验证环节之一。高精度测距能力是空间引力波探测的核心前提——只有掌握对遥远目标的厘米乃至毫米级定位技术,才能在未来实现对卫星间距离变化的极端灵敏探测。


韩西达指出:“NGLR-1的探测难度极高,要求激光指向精度、大气校正、时间同步和光子探测系统都达到极致。这次成功,是对我们技术体系的一次全面检验。”


科学价值:不只是“量距离”


每一次成功的激光回波,都蕴含着丰富的科学信息。通过对NGLR-1的持续观测,科学家可以获得:


更精确的地月系统质量分布与引力场模型;

月球内部结构(如液态外核)的动力学特征;

验证广义相对论在长距离下的有效性;

探索是否存在第五种基本力或额外维度效应;

支持未来月球导航、定位与时间基准系统的建设。


此外,随着中国探月工程(嫦娥系列)和国际月球科研站计划的推进,建立自主可控的月面基准点网络变得愈发重要。NGLR-1的成功探测,为我国未来在月球部署自主反射器、构建“月球版GPS”提供了宝贵经验和技术储备。


结语:微光穿越38万公里,照亮科学征途


当那一束微弱的光子穿越浩瀚太空,最终落入天琴台站的望远镜时,它不仅带回了一个距离数值,更传递着人类对宇宙本质的追问。从阿波罗时代的金属阵列,到如今的单体高精度反射器;从最初的厘米级测量,迈向未来的毫米级精度——每一次技术跃迁,都在拓展我们认知的边界。


中国科学家此次对NGLR-1的成功探测,不仅是技术实力的体现,更是基础科学研究长期投入的回报。在通往“天琴”的星辰之路上,这束来自月球的回波,正悄然奏响一曲属于中国的宇宙交响。