月球暗坑超稳定激光器助力导航授时与科学发现

NIST和JILA的物理学家叶军（左）与团队成员（从左至右）Zoey Hu、Dahyeon Lee和Ben Lewis合影，他们手持光学激光腔的复制品。

这些陨石坑堪称太阳系中最黑暗、最寒冷的地方：数百个月球陨石坑，其中许多位于月球南极，从未受到阳光直射，处于永久阴影之中。这正是物理学家叶军及其同事提出这些陨石坑是建造超稳定激光器关键组件的完美场所的原因。

叶军表示，在月球上，一种高度稳定的激光器——即频率或颜色几乎不变的光源——可以提供主时间信号，并为月球导航提供类似GPS的功能。叶军同时隶属于美国国家标准与技术研究院（NIST）和JILA（NIST与科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所）。这些月球激光器的多个副本可以精确测量物体之间的距离，并有可能探测到诸如时空涟漪等奇异物理现象。

要建造月球激光器，宇航员首先需要安装一个称为硅光学腔的关键组件——一块硅块，它只允许特定频率的光在块两端的镜子之间来回反射。两面镜子之间的距离决定了允许共振的频率；对于高度稳定的光学腔，这个距离以及相应的频率不会发生变化。

月球是建造光学腔的理想地点，因为与地球相比，它受到的振动相对较少，并且具有高真空环境（因为其环境中没有空气）。

但月球南极永久阴影区的陨石坑提供了更大的优势。它们约50开尔文（绝对零度以上50度）的极低温度大幅减少了镜面表面的随机抖动。

此外，这些陨石坑的真空度比月球表面更高，进一步减少或消除了声波和杂散粒子可能撞击镜子并改变它们之间距离的振动。

通过将腔体系统的残余热量辐射到更冷的外太空深渊中，光学腔可以进一步冷却，无需低温恒温器或其他设备，即可达到16 K的温度。在这个温度下，硅在温度微小变化时既不会膨胀也不会收缩，确保进入腔体的光始终在两面镜子之间穿越完全相同的距离。

一旦硅光学腔部署完成，一个商用激光器将被放置在附近——要么在永久阴影陨石坑的边缘，要么在其内部。少量激光光被引导进入光学腔，用于将激光频率锁定到腔体允许的共振频率之一，确保激光器发出单一不变颜色的光。

在稳定其光频率后，该激光器可以充当类似GPS的信号，引导月球航天器安全着陆，尤其是那些计划在南极附近昏暗区域降落的航天器。通过将其光信号调谐到卫星上原子钟的信号，高稳定性月球激光器还可以成为地外表面首个光学原子钟的骨干。这一计时信号将与地球上最精确、最准确的光学原子钟相媲美，这些原子钟正是叶军及其团队在地面实验室中建造的。

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来源：NIST。；内容经中文翻译改写，采集时间：2026-08-27 09:13:10。

(责任编辑：标准科技参考)