科学家提议在月球永久阴影环形山内置超稳激光器 打造「月球GPS」
摘要： 美国国家标准与技术研究院（NIST）科学家提议，在月球南极附近的永久阴影环形山内置超稳激光器，利用极寒与真空环境建立类似地球GPS的月球导航系统，为未来Artemis航天员和探测器提供高精度定位服务。
研究背景
随着NASA推进长期Artemis登月任务和未来月球基地建设，月球GPS（全球定位系统）概念日益受到关注。科学家和航天机构已开发多种月球导航定位授时（PNT）方案，包括绕月导航卫星、无线电信标以及与地球GPS技术原理相似的原子钟。
NIST研究团队在此基础上增添了新思路：将超稳激光器置于月球永久阴影环形山内部。
永久阴影环形山的天然优势
永久阴影环形山由于月球极低的轴倾角而永远无法接受阳光直射。在永恒黑暗环境中，这些环形山温度比冥王星还低，可降至约零下223摄氏度。科学家长期将其视为潜在的水冰储库，可支撑未来月球定居点。
NIST研究团队发现，这些严苛的自然条件恰好使永久阴影环形山成为精密激光系统的理想天然实验室。
技术原理
超稳激光器产生的光具有几乎完美恒定的频率，使多台激光器能够精确测量物体间距离。在地球上，这类系统需要复杂的低温冷却和振动隔离，因为微小的温度变化即可导致激光失稳。
然而，在月球永久阴影环形山内部，自然条件可替代大部分人工干预：环形山内的极低温度、月球天然的高真空环境以及相较地球低得多的振动水平，可使硅光学腔几乎无热膨胀现象，从而提供导航系统所需的高稳定性。
论文第一作者叶军（Jun Ye）表示：「当我意识到永久阴影区域能提供什么条件时，我感到这是超稳激光器的最理想环境。」
应用前景
研究人员建议使用硅光学腔——一种通过在精确分隔的反射镜之间反射光来稳定激光的装置。
在月球上部署后，光学腔将稳定附近激光器，将其锁定在单一超高精度频率上。所得信号可作为月球航天器的GPS信标，同时与基于卫星的原子钟协同工作，构成「 extraterrestrial 表面的首个光学原子钟」的骨干。
未来，月球激光导航系统可帮助航天员和机器人探测器在复杂光照条件的月球南极地区更安全地航行，摆脱对地球跟踪系统的严重依赖。
研究发表
该研究于5月8日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。