科學家提出將一套超穩定激光系統放置於月球南極附近的永久陰影隕石坑內，該地區極端寒冷及接近完美的真空條件可能有助於創建有史以來最精確的時間和導航系統之一。該概念重點在於利用從不接收陽光的月球隕石坑。這些地區始終處於永久黑暗中，並且經歷接近 50 開爾文的温度。根據研究人員的説法，這樣的條件能減少振動、熱噪聲及表面不穩定性，這些因素通常會擾亂地球上高精度光學系統的運作。
該提案的核心是一個光學硅腔。此裝置允許特定的光頻率在兩個鏡子之間共振，從而穩定與之鎖定的激光輸出。目標是生成頻率極為穩定且不隨時間漂移的激光。
月球的極端環境為激光系統提供獨特優勢
研究人員表示，月球提供的優勢超越了地球的實驗室。缺乏大氣層、減少的地震活動及穩定的熱環境，使月球成為依賴極端穩定性的精密測量系統的強有力候選者。物理學家 Jun Ye，隸屬於國家標準與技術研究所及 JILA，表示永久陰影隕石坑為此類系統提供了獨特的條件。他解釋了環境的優勢，指出它消除了許多地球上的幹擾源。「通過將腔體系統的任何剩餘熱量輻射到更冷的外太空深淵，光學腔可以進一步冷卻，而無需冷卻設備或其他器材，達到 16 開爾文的温度。
在該温度下，硅在面對微小的温度變化時不會膨脹或收縮，確保進入腔體的光在兩個鏡子之間始終經過完全相同的距離。」
研究人員表示，這種穩定性至關重要，因為即使微小的物理變化也會改變激光頻率。在月球上，這些波動會顯著減少。該系統將通過將商業可用的激光鎖定到硅腔的共振頻率來運行。一旦穩定，該激光可以作為月球表面導航和計時的參考信號。所提議的技術可實現類似於地球上的 GPS 的月球規模定位系統。它還可以支持在低能見度區域的太空船著陸，並為在地球之外運作的光學原子鐘提供參考。「這些月球激光的多個副本可以精確測量物體之間的距離，並有潛力檢測到如時空波動等奇異物理現象。」
未來的引力波檢測實驗將受益於月球激光系統
研究人員還建議，這樣的系統網絡可以通過追蹤月球儀器之間的微小距離變化來支持未來的引力波檢測實驗。部署將涉及在未來的阿耳忒彌斯任務中，使用機器人系統或宇航員將預組裝的光學硅腔放置於永久陰影隕石坑內。然後，激光源將被放置在附近並鎖定到腔體，以保持頻率穩定。如果成功，該系統可成為月球時間標準的基礎，並啟用高精度的地球-月球光學通信網絡。研究人員估計，早期演示可能在幾年內於低地球軌道開始，隨後在本十年內進行月球部署。
該研究發表於《美國國家科學院院刊》上。