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嫦娥四號牽手“鵲橋” 推開射電天文學最後一扇窗

2019-01-10 09:13來源﹕科技日報

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  1月3日﹐嫦娥四號探測器在月球背面成功著陸。著陸器拍回了照片﹐玉兔二號月球車也下地撒歡﹐留下了一串腳印。安好家以後﹐它們就要開始工作﹐開展各項科學探測了。

  其中﹐著陸器上低頻射電探測儀的三根5米天線已展開到位。

  “月球背面的電磁環境非常乾淨﹐在那裡開展低頻射電探測是全世界天文學家夢寐以求的事情﹐將填補低頻射電觀測的空白。”國家空間科學中心副主任﹑月球與深空探測總體部主任鄒永廖說。

  尋找“乾淨”的觀測環境 月球背面成絕佳地點

  “電磁波譜的任何一個波段背後﹐都有天體的物理現象和機理。”中科院國家天文臺研究員﹑嫦娥四號月球低頻射電探測儀中方首席專家平勁松告訴科技日報記者﹐“祗要能感知到﹐就可以尋找它們的規律。”

  1930年代﹐美國貝爾實驗室工程師卡爾‧央斯基在短波高頻波段偶然收到來自地球之外的天體輻射﹐開啟了射電天文的大門。自此﹐電磁波成為了天文學家觀測天體輻射的核心手段之一。

  之所以迄今為止人類仍然使用短波和中波進行通信﹐歸功于地球空間存在的比較濃密的電離層﹐能反射這些波段的人造電磁波﹐使得電磁波無法逃出地球範圍。但與此同時﹐來自地球以外低於10兆赫茲的電磁輻射﹐也無法透過地球電離層到達地面。可以說﹐這個波段的天文觀測窗口被地球電離層“屏蔽”了。因而地面射電天文觀測都是在更高的頻段開展。

  既然在地球上無法開展低頻射電探測﹐天文學家決定在太空尋找解決途徑。上世紀90年代﹐來自中國﹑荷蘭等國的射電天文學家開始進行相關論證。然而﹐他們遇到了新的問題。

  “地球附近的人造天體太多了。”平勁松表示﹐這些衛星以及各類航天器﹐都在發射人造電磁波﹐大量存在的人工信號會對觀測形成干擾。“離地球越遠越好。”他說﹐但即使把觀測設備架設到月球上﹐如果面向地球﹐仍然避不開地球衛星低頻無線電輻射的噪聲。

  要突破地球電離層的屏蔽﹑躲開衛星的信號﹐還要遮擋來自太陽的輻射﹐經過種種約束的篩選﹐月球背面成為了滿足條件﹑技術可及的最佳選擇。

  從阿波羅時代開始﹐科學家就設想把低頻射電設備放到月球背面去探測﹐美國﹑日本等國都提出過建議﹐歐空局甚至制定過詳細的計劃﹐但最終均未實現。原因很簡單﹐各國都沒有在月球背面著陸的探測器﹐怎麼把設備放上去﹖

  因此﹐甚低頻頻段一直是射電天文領域從未被開墾過的處女地。直到嫦娥四號任務實施﹐為此項研究提供了絕佳的起步機會。

  消除噪聲干擾 “卡拉OK技術”來幫忙

  嫦娥四號任務中的低頻射電探測計劃﹐由中國和荷蘭共同開展。科技日報記者瞭解到﹐荷蘭在射電天文領域﹐尤其是低頻觀測上﹐堪稱國際上技術最先進的國家之一。

  2015年10月﹐荷蘭航天局局長訪問中國國家航天局﹐雙方敲定了探索與和平利用外層空間諒解備忘錄。在此框架下﹐低頻射電合作項目被兩國納入嫦娥四號工程。中科院國家天文臺負責協調與荷

  方月球低頻射電載荷工作事宜。

  合作項目中﹐雙方研製了兩臺低頻射電探測儀。平勁松介紹說﹐兩臺載荷的概念設計由中方提出﹐中荷各研製一臺﹐主要功能基本相當﹐中方載荷搭載于嫦娥四號著陸器﹐荷方載荷搭載在2018年5月發射的鵲橋號中繼衛星上。在工作模式上﹐中國載荷通過太陽能供電﹐當嫦娥四號著陸區是白天時開展工作﹔入夜後﹐中繼星上的荷方載荷進行工作。在探測目標上﹐荷方載荷可以探測地球兩極的射電爆發﹐中方載荷可以屏蔽地球與太陽的影響﹐探測更遠的目標。

  不過該項目也面臨許多技術挑戰﹐噪聲仍是其中之一。雖然月球背面非常“清淨”﹐嫦娥四號本身帶來的干擾卻不容忽視。平勁松說﹐鵲橋中繼星是全新研製的衛星﹐在研發時就對衛星平臺噪聲採取了抑制措施﹐對載荷也有降噪處理。相比之下﹐作為嫦娥三號備份的嫦娥四號﹐畢竟是以探月為主業﹐並沒有做相關處理。

  對此﹐載荷研製團隊想出了其他辦法。

  許多音樂發燒友都知道﹐在原聲音樂大碟裡﹐不同音色都有各自的音軌﹐通過技術手段可以對音軌進行編輯。比如﹐把一首歌裡的人聲去掉﹐就能把它作為卡拉OK的伴奏。

  科研人員藉助類似原理﹐除了在嫦娥四號低頻射電探測儀上安裝了三根長天線﹐還裝有一根短天線。電磁波輻射有近場﹑遠場之分。來自嫦娥四號的近場信號﹐長短天線都能接收﹐而宇宙天體傳來的遠場信號﹐長天線可以清晰地收到﹐短天線卻有些“聽不清”。憑藉長短天線接收信號的差別﹐科研人員就能把遠場信號和近場信號區分開來﹐再做“減法”。平勁松說﹕“雖然嫦娥四號會帶來干擾﹐但我們可以把這些干擾剔除掉﹐只留下想要的東西。”

  探路低頻射電觀測 每項發現都可能填補空白

  平勁松介紹﹐作為低頻射電觀測的“探路者”﹐嫦娥四號工程中的兩臺低頻射電探測儀都採用了長壽命設計﹐在嫦娥四號任務期滿結束後﹐很可能會繼續工作數年﹐獲得更多觀測機會。

  隨著射電天文學的最後一扇窗逐漸開啟﹐“探路者”的每一項發現都有可能填補空白﹐這讓科學家們充滿期待。

  平勁松說﹐比如太陽爆發時波段很寬﹐從上百億赫茲到幾百兆赫茲﹐直至很低的頻率。落到低頻時﹐相當於是從離太陽很遠的地方發射出來。這樣的爆發過去從未觀測到﹐但今後祗要遇上﹐就能觀測並且追蹤它發生的整個過程﹐這對研究日地空間的天氣效應﹐構建模型預報太陽災害事件等有很大幫助。

  同時﹐嫦娥四號低頻射電探測儀還能藉助對太陽爆發的觀測﹐探測月球的電離層環境。平勁松說﹐如果月球還有電離層﹐它也會像地球電離層一樣阻擋電磁信號﹐但阻擋的頻率更低。因為太陽的爆發是連續的﹐我們可以計算出哪一段輻射頻率被阻擋﹐以此推算月球電離層的密度特性。

  搭載于鵲橋中繼星上的低頻射電探測儀﹐將與嫦娥四號低頻射電探測儀協同觀測。由於處在地月拉格朗日L2點﹐中繼星上的探測儀可以探測研究太陽低頻射電特徵和地月空間低頻射電環境﹔連續監測地球千米波輻射爆發﹐探究其帶來的空間擾動。還有望在行星際激波﹑日冕物質拋射和高能電子束的產生機理等方面取得原創性成果。

  除了觀測太陽﹑地球﹑月球﹐低頻射電探測儀還有望觀測到銀河系中普遍存在的宇宙線電子﹐揭示宇宙線的起源與傳播過程﹐同時探測銀河系電離氣體雲的分佈。在銀河系之外﹐射電星系的輻射往往來自中心大質量黑洞活動時產生的噴流。這些噴流逐漸冷卻﹐其輻射頻率也逐漸降低﹐因此低頻觀測還可能看到更古老的噴流﹐從而加深對黑洞活動的認識。

  更激動人心的可能性﹐是用低頻射電探測儀觀測探索宇宙大爆炸結束後的黑暗時代﹐以及此後第一代恆星形成時的宇宙黎明。此前﹐美國EDGES實驗在78兆赫茲頻段發現了一個相當強的吸收譜﹐這有可能是宇宙黎明產生的﹐但與標準理論模型相差很大﹐因此引起很大爭議。如果能在純淨的電磁環境中進行這種觀測﹐將有助於提昇實驗的精度。(付毅飛)

[責編﹕張佳興]

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