“鵲橋”新動作受關(guān)注 三根天線探秘宇宙黑暗時代

自順利著陸月球背面以來，嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車的一舉一動都備受關(guān)注。事實上，我們能得知它們的動態(tài)，多虧“鵲橋”號中繼星架起的通信橋梁。

在提供通信中繼服務(wù)的同時，“鵲橋”號中繼星還肩負(fù)著多項科學(xué)與技術(shù)實驗任務(wù)。日前，嫦娥四號任務(wù)工程團隊對“鵲橋”號中繼星上所搭載的中-荷低頻射電探測儀(NCLE)載荷實施了載荷三根天線展開工作。

“此次天線的展開標(biāo)志著NCLE載荷正式進入科學(xué)探測階段，且成為目前距離地球最遠、可長期工作的空間射電天文臺。”負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)NCLE中方團隊的中科院國家天文臺研究員平勁松在接受科技日報記者采訪時說道。

“聆聽”宇宙深處的聲音

傳回的圖片顯示，在不同角度豎起三根天線的“鵲橋”號仿佛變身成“天線寶寶”，豎起了“耳朵”?？蓜e小瞧這三根天線，它們將“聆聽”來自宇宙深處的聲音，幫助科學(xué)家破解宇宙黑暗時代的一些謎團。

宇宙大爆炸后，溫度非常高，密度也非常大，幾乎處處在發(fā)光。緊接著，宇宙進入了一個不發(fā)光的時期，即黑暗時代。這一時期，宇宙中充斥著大量的中性氫，發(fā)光的第一代恒星還沒有形成。

為了探尋黑暗時代的“遺跡”，天文學(xué)家一直都在尋找原始的中性氫氣中，電子自發(fā)反轉(zhuǎn)自旋方向時發(fā)出的信號。這些信號在誕生之初本來是波長較短的射電波，但在130億年的漫長旅行中，宇宙的膨脹效應(yīng)使它們變成了波長很長的低頻波。

“想要探測到這一低頻波信號，需要在非常‘安靜’的電磁環(huán)境中去‘傾聽’，月球背面及其上空正好是一個理想場所。”平勁松表示，中荷兩方科學(xué)家都希望，隨著NCLE載荷的正常運轉(zhuǎn)，我們可以更多地了解關(guān)于宇宙黑暗時代的未知信息。

科學(xué)家不僅希望找到來自黑暗時代的低頻射電信號，還迫切想知道，宇宙大爆炸之后，這些信號在宇宙中的分布情況，比如是否是均勻分布。不少專家認(rèn)為，其分布狀態(tài)很可能是不均勻的，如果能找到分布不均勻性的證據(jù)，將是一個重要發(fā)現(xiàn)。

“當(dāng)然，想要證明其不均性，僅僅靠NCLE載荷難以實現(xiàn)，需要成百上千的類似天線組成陣列才有可能做到，這也是未來努力的方向。在未來宇宙學(xué)領(lǐng)域的低頻射電探測方向上，NCLE更多的是扮演探路者的角色。”平勁松說道。

問路系外行星射電探測

行星射電爆發(fā)的探測和研究，是天文學(xué)和地球物理學(xué)的一個交叉領(lǐng)域。行星射電爆發(fā)并不遙遠，事實上，在極光發(fā)生區(qū)域的上空，還存在地球射電爆發(fā)現(xiàn)象。

不只是地球，太陽系內(nèi)五顆行星都有類似的射電爆發(fā)。這些行星輻射的千米波電磁波，頻率范圍分布在100千赫茲到1200千赫茲之間，爆發(fā)時長從幾秒到幾分鐘、幾十分鐘不等。

盡管行星射電爆發(fā)的現(xiàn)象常見，但關(guān)于它們的輻射機制卻沒有定論。平勁松介紹，對太陽系行星射電爆發(fā)進行監(jiān)視監(jiān)測是NCLE的重要任務(wù)之一。對地球、木星射電爆發(fā)展開長期系統(tǒng)研究，有助于進一步揭示這些爆發(fā)輻射的極光功率和太陽風(fēng)動力學(xué)功率之間的關(guān)聯(lián)。

此外，研究地球和木星射電爆發(fā)的射電天文學(xué)家們猜測，既然地球和木星在射電波段是如此的耀眼，是不是可以利用已知的行星射電輻射知識，在光學(xué)以外的其他波段來探測系外行星?

然而，想探測諸如木星大小的系外行星的射電輻射，需要探測器擁有強大的探測能力。當(dāng)前的射電望遠鏡陣列只能探測到距離我們一光年的類木星射電爆發(fā)強度的信號。這遠小于地球與離太陽系最近的比鄰星之間的距離。

因此，想探測更遠的系外行星，其磁場必須能產(chǎn)生更強的射電信號，例如比木星體積大10到100倍的類木行星，其信號才有可能被探測到。另外，只要恒星的磁場強度足夠強，這個恒星系統(tǒng)就能產(chǎn)生比木星亮一百萬倍的射電爆發(fā)。

迄今為止，使用低頻射電望遠鏡尋找來自系外行星的第一束射電波的嘗試還沒有成功。平勁松認(rèn)為，NCLE對木星和地球的射電爆發(fā)探測，將為后續(xù)探測方法的優(yōu)化、探測能力的提升，提供新的線索和途徑。

天地配合展開協(xié)同觀測

雖然是目前距離地球最遠的空間射電天文臺，可NCLE并不孤獨。它將與地面和空間的其他射電觀測設(shè)施進行協(xié)同觀測，展開多信使的天文學(xué)研究。

什么是多信使天文學(xué)研究?平勁松以太陽射電爆發(fā)為例說道，太陽發(fā)出的電磁波輻射通常覆蓋了比較寬的頻帶，從毫米波一直到千米波。就整個輻射過程而言，不僅需要探測高頻波段，地面探測不到的低頻部分也需要空間設(shè)施進行探測。多個設(shè)施的聯(lián)合觀測，有利于實現(xiàn)對同一事件的完整觀測。

此外，有些頻點，天上和地面的設(shè)施都能觀測到。一般而言，地面上的設(shè)施，標(biāo)定更為精準(zhǔn)，通過其觀測結(jié)果可以對天文事件進行反演。對同一時點地面和空間觀測的結(jié)果進行比對，可以對空間設(shè)備進行校準(zhǔn)和定標(biāo)，這也是另一個層面的協(xié)同。

具體而言，NCLE載荷如何與其他觀測設(shè)施展開協(xié)同呢?平勁松介紹，在空間，NCLE載荷與嫦娥四號著陸器搭載的低頻射電頻譜儀，構(gòu)成了月球表面和空間的一對可以獨立和協(xié)同工作的射電天文臺。這兩者的協(xié)同在項目提出時就已經(jīng)安排和規(guī)劃了。

在地面上，NCLE將和位于荷蘭的LOFAR低頻射電天文陣列、中科院國家天文臺明安圖天文基地、中科院云南天文臺的太陽射電望遠鏡，以及位于山東省威海市的山大威海分校的太陽射電槎山觀測站一起配合月球的兩個空間天文臺開展協(xié)同觀測。

協(xié)同方式包括同時在調(diào)頻(HF)、甚高頻(VHF)和特高頻(UFH)等頻帶開展太陽射電爆發(fā)的頻譜搜尋監(jiān)測;在HF頻帶針對預(yù)期的木星射電爆發(fā)開展同步探測;擇機開展地月40多萬公里上HF頻帶空間干涉測量的技術(shù)試驗驗證，以及測量木星爆發(fā)事件的空間精密位置等。

支撐災(zāi)害性空間天氣預(yù)警

對太陽爆發(fā)活動產(chǎn)生的低頻射電輻射進行監(jiān)測，研究其規(guī)律特性是NCLE的科學(xué)任務(wù)之一。

典型的太陽爆發(fā)活動包括耀斑和日冕物質(zhì)拋射，其產(chǎn)生的帶電粒子流以太陽風(fēng)的形式在行星際旅行，對地球磁場產(chǎn)生擾動。日冕物質(zhì)拋射(CME)驅(qū)動的激波壓縮地球磁層時，可能會導(dǎo)致地磁暴的發(fā)生。

令人印象深刻的是，1989年，一次CME所引發(fā)的強磁暴襲擊了加拿大魁北克地區(qū)的電網(wǎng)，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)大范圍的斷電事故，直接影響600萬居民。

了解CME激波在日冕和行星際空間的運動過程，有助于對災(zāi)害性空間天氣進行預(yù)報預(yù)警。然而，激波很難被觀測到。為了捕捉它的軌跡，科學(xué)家找到了它在日冕和行星際空間運動的“示蹤器”——Ⅱ型射電暴。

“NCLE對Ⅱ型射電暴的觀測可以從離日心距離最近的日冕層部分一直延伸到行星際空間。”平勁松介紹，利用地基觀測設(shè)備和NCLE對Ⅱ型射電暴的運行軌跡進行聯(lián)合觀測，示蹤CME激波在日冕和行星際空間的運動過程，將為災(zāi)害性空間天氣的預(yù)警預(yù)報提供重要支撐。

關(guān)鍵詞： 鵲橋 三根天線 宇宙黑暗時代