“鹊桥”又有新动作

三根天线探秘宇宙黑暗时代

2019年12月10日  来源：科技日报

自顺利着陆月球背面以来，嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车的一举一动都备受关注。事实上，我们能得知它们的动态，多亏“鹊桥”号中继星架起的通信桥梁。

在提供通信中继服务的同时，“鹊桥”号中继星还肩负着多项科学与技术实验任务。日前，嫦娥四号任务工程团队对“鹊桥”号中继星上所搭载的中-荷低频射电探测仪（NCLE）载荷实施了载荷三根天线展开工作。

“此次天线的展开标志着NCLE载荷正式进入科学探测阶段，且成为目前距离地球最远、可长期工作的空间射电天文台。”负责领导NCLE中方团队的中科院国家天文台研究员平劲松在接受科技日报记者采访时说道。

“聆听”宇宙深处的声音

传回的图片显示，在不同角度竖起三根天线的“鹊桥”号仿佛变身成“天线宝宝”，竖起了“耳朵”。可别小瞧这三根天线，它们将“聆听”来自宇宙深处的声音，帮助科学家破解宇宙黑暗时代的一些谜团。

宇宙大爆炸后，温度非常高，密度也非常大，几乎处处在发光。紧接着，宇宙进入了一个不发光的时期，即黑暗时代。这一时期，宇宙中充斥着大量的中性氢，发光的第一代恒星还没有形成。

为了探寻黑暗时代的“遗迹”，天文学家一直都在寻找原始的中性氢气中，电子自发反转自旋方向时发出的信号。这些信号在诞生之初本来是波长较短的射电波，但在130亿年的漫长旅行中，宇宙的膨胀效应使它们变成了波长很长的低频波。

“想要探测到这一低频波信号，需要在非常‘安静’的电磁环境中去‘倾听’，月球背面及其上空正好是一个理想场所。”平劲松表示，中荷两方科学家都希望，随着NCLE载荷的正常运转，我们可以更多地了解关于宇宙黑暗时代的未知信息。

科学家不仅希望找到来自黑暗时代的低频射电信号，还迫切想知道，宇宙大爆炸之后，这些信号在宇宙中的分布情况，比如是否是均匀分布。不少专家认为，其分布状态很可能是不均匀的，如果能找到分布不均匀性的证据，将是一个重要发现。

“当然，想要证明其不均性，仅仅靠NCLE载荷难以实现，需要成百上千的类似天线组成阵列才有可能做到，这也是未来努力的方向。在未来宇宙学领域的低频射电探测方向上，NCLE更多的是扮演探路者的角色。”平劲松说道。

问路系外行星射电探测

行星射电爆发的探测和研究，是天文学和地球物理学的一个交叉领域。行星射电爆发并不遥远，事实上，在极光发生区域的上空，还存在地球射电爆发现象。

不只是地球，太阳系内五颗行星都有类似的射电爆发。这些行星辐射的千米波电磁波，频率范围分布在100千赫兹到1200千赫兹之间，爆发时长从几秒到几分钟、几十分钟不等。

尽管行星射电爆发的现象常见，但关于它们的辐射机制却没有定论。平劲松介绍，对太阳系行星射电爆发进行监视监测是NCLE的重要任务之一。对地球、木星射电爆发展开长期系统研究，有助于进一步揭示这些爆发辐射的极光功率和太阳风动力学功率之间的关联。

此外，研究地球和木星射电爆发的射电天文学家们猜测，既然地球和木星在射电波段是如此的耀眼，是不是可以利用已知的行星射电辐射知识，在光学以外的其他波段来探测系外行星？

然而，想探测诸如木星大小的系外行星的射电辐射，需要探测器拥有强大的探测能力。当前的射电望远镜阵列只能探测到距离我们一光年的类木星射电爆发强度的信号。这远小于地球与离太阳系最近的比邻星之间的距离。

因此，想探测更远的系外行星，其磁场必须能产生更强的射电信号，例如比木星体积大10 到100倍的类木行星，其信号才有可能被探测到。另外，只要恒星的磁场强度足够强，这个恒星系统就能产生比木星亮一百万倍的射电爆发。

迄今为止，使用低频射电望远镜寻找来自系外行星的第一束射电波的尝试还没有成功。平劲松认为，NCLE对木星和地球的射电爆发探测，将为后续探测方法的优化、探测能力的提升，提供新的线索和途径。

天地配合展开协同观测

虽然是目前距离地球最远的空间射电天文台，可NCLE并不孤独。它将与地面和空间的其他射电观测设施进行协同观测，展开多信使的天文学研究。

什么是多信使天文学研究？平劲松以太阳射电爆发为例说道，太阳发出的电磁波辐射通常覆盖了比较宽的频带，从毫米波一直到千米波。就整个辐射过程而言，不仅需要探测高频波段，地面探测不到的低频部分也需要空间设施进行探测。多个设施的联合观测，有利于实现对同一事件的完整观测。

此外，有些频点，天上和地面的设施都能观测到。一般而言，地面上的设施，标定更为精准，通过其观测结果可以对天文事件进行反演。对同一时点地面和空间观测的结果进行比对，可以对空间设备进行校准和定标，这也是另一个层面的协同。

具体而言，NCLE载荷如何与其他观测设施展开协同呢？平劲松介绍，在空间，NCLE载荷与嫦娥四号着陆器搭载的低频射电频谱仪，构成了月球表面和空间的一对可以独立和协同工作的射电天文台。这两者的协同在项目提出时就已经安排和规划了。

在地面上，NCLE将和位于荷兰的LOFAR低频射电天文阵列、中科院国家天文台明安图天文基地、中科院云南天文台的太阳射电望远镜，以及位于山东省威海市的山大威海分校的太阳射电槎山观测站一起配合月球的两个空间天文台开展协同观测。

协同方式包括同时在调频（HF）、甚高频（VHF）和特高频（UFH）等频带开展太阳射电爆发的频谱搜寻监测；在HF频带针对预期的木星射电爆发开展同步探测；择机开展地月40多万公里上HF频带空间干涉测量的技术试验验证，以及测量木星爆发事件的空间精密位置等。

支撑灾害性空间天气预警

对太阳爆发活动产生的低频射电辐射进行监测，研究其规律特性是NCLE的科学任务之一。

典型的太阳爆发活动包括耀斑和日冕物质抛射，其产生的带电粒子流以太阳风的形式在行星际旅行，对地球磁场产生扰动。日冕物质抛射（CME）驱动的激波压缩地球磁层时，可能会导致地磁暴的发生。

令人印象深刻的是，1989年，一次CME所引发的强磁暴袭击了加拿大魁北克地区的电网，导致该地区出现大范围的断电事故，直接影响600万居民。

了解CME激波在日冕和行星际空间的运动过程，有助于对灾害性空间天气进行预报预警。然而，激波很难被观测到。为了捕捉它的轨迹，科学家找到了它在日冕和行星际空间运动的“示踪器”——Ⅱ型射电暴。

“NCLE对Ⅱ型射电暴的观测可以从离日心距离最近的日冕层部分一直延伸到行星际空间。”平劲松介绍，利用地基观测设备和NCLE对Ⅱ型射电暴的运行轨迹进行联合观测，示踪CME激波在日冕和行星际空间的运动过程，将为灾害性空间天气的预警预报提供重要支撑。