“鵲橋”新動(dòng)作受關(guān)注 三根天線(xiàn)探秘宇宙黑暗時(shí)代

自順利著陸月球背面以來(lái)，嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)月球車(chē)的一舉一動(dòng)都備受關(guān)注。事實(shí)上，我們能得知它們的動(dòng)態(tài)，多虧“鵲橋”號(hào)中繼星架起的通信橋梁。

在提供通信中繼服務(wù)的同時(shí)，“鵲橋”號(hào)中繼星還肩負(fù)著多項(xiàng)科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。日前，嫦娥四號(hào)任務(wù)工程團(tuán)隊(duì)對(duì)“鵲橋”號(hào)中繼星上所搭載的中-荷低頻射電探測(cè)儀(NCLE)載荷實(shí)施了載荷三根天線(xiàn)展開(kāi)工作。

“此次天線(xiàn)的展開(kāi)標(biāo)志著NCLE載荷正式進(jìn)入科學(xué)探測(cè)階段，且成為目前距離地球最遠(yuǎn)、可長(zhǎng)期工作的空間射電天文臺(tái)。”負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)NCLE中方團(tuán)隊(duì)的中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)道。

“聆聽(tīng)”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(xiàn)的“鵲橋”號(hào)仿佛變身成“天線(xiàn)寶寶”，豎起了“耳朵”。可別小瞧這三根天線(xiàn)，它們將“聆聽(tīng)”來(lái)自宇宙深處的聲音，幫助科學(xué)家破解宇宙黑暗時(shí)代的一些謎團(tuán)。

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(jìn)入了一個(gè)不發(fā)光的時(shí)期，即黑暗時(shí)代。這一時(shí)期，宇宙中充斥著大量的中性氫，發(fā)光的第一代恒星還沒(méi)有形成。

為了探尋黑暗時(shí)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(shí)發(fā)出的信號(hào)。這些信號(hào)在誕生之初本來(lái)是波長(zhǎng)較短的射電波，但在130億年的漫長(zhǎng)旅行中，宇宙的膨脹效應(yīng)使它們變成了波長(zhǎng)很長(zhǎng)的低頻波。

“想要探測(cè)到這一低頻波信號(hào)，需要在非常‘安靜’的電磁環(huán)境中去‘傾聽(tīng)’，月球背面及其上空正好是一個(gè)理想場(chǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)，我們可以更多地了解關(guān)于宇宙黑暗時(shí)代的未知信息。

科學(xué)家不僅希望找到來(lái)自黑暗時(shí)代的低頻射電信號(hào)，還迫切想知道，宇宙大爆炸之后，這些信號(hào)在宇宙中的分布情況，比如是否是均勻分布。不少專(zhuān)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(gè)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(shí)現(xiàn)，需要成百上千的類(lèi)似天線(xiàn)組成陣列才有可能做到，這也是未來(lái)努力的方向。在未來(lái)宇宙學(xué)領(lǐng)域的低頻射電探測(cè)方向上，NCLE更多的是扮演探路者的角色。”平勁松說(shuō)道。

問(wèn)路系外行星射電探測(cè)

行星射電爆發(fā)的探測(cè)和研究，是天文學(xué)和地球物理學(xué)的一個(gè)交叉領(lǐng)域。行星射電爆發(fā)并不遙遠(yuǎn)，事實(shí)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(yáng)系內(nèi)五顆行星都有類(lèi)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(shí)長(zhǎng)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(jiàn)，但關(guān)于它們的輻射機(jī)制卻沒(méi)有定論。平勁松介紹，對(duì)太陽(yáng)系行星射電爆發(fā)進(jìn)行監(jiān)視監(jiān)測(cè)是NCLE的重要任務(wù)之一。對(duì)地球、木星射電爆發(fā)展開(kāi)長(zhǎng)期系統(tǒng)研究，有助于進(jìn)一步揭示這些爆發(fā)輻射的極光功率和太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)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(cè)，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(shí)，在光學(xué)以外的其他波段來(lái)探測(cè)系外行星?

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

因此，想探測(cè)更遠(yuǎn)的系外行星，其磁場(chǎng)必須能產(chǎn)生更強(qiáng)的射電信號(hào)，例如比木星體積大10到100倍的類(lèi)木行星，其信號(hào)才有可能被探測(cè)到。另外，只要恒星的磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，這個(gè)恒星系統(tǒng)就能產(chǎn)生比木星亮一百萬(wàn)倍的射電爆發(fā)。

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

天地配合展開(kāi)協(xié)同觀測(cè)

雖然是目前距離地球最遠(yuǎn)的空間射電天文臺(tái)，可NCLE并不孤獨(dú)。它將與地面和空間的其他射電觀測(cè)設(shè)施進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)，展開(kāi)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(yáng)射電爆發(fā)為例說(shuō)道，太陽(yáng)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(gè)輻射過(guò)程而言，不僅需要探測(cè)高頻波段，地面探測(cè)不到的低頻部分也需要空間設(shè)施進(jìn)行探測(cè)。多個(gè)設(shè)施的聯(lián)合觀測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)同一事件的完整觀測(cè)。

此外，有些頻點(diǎn)，天上和地面的設(shè)施都能觀測(cè)到。一般而言，地面上的設(shè)施，標(biāo)定更為精準(zhǔn)，通過(guò)其觀測(cè)結(jié)果可以對(duì)天文事件進(jìn)行反演。對(duì)同一時(shí)點(diǎn)地面和空間觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可以對(duì)空間設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和定標(biāo)，這也是另一個(gè)層面的協(xié)同。

具體而言，NCLE載荷如何與其他觀測(cè)設(shè)施展開(kāi)協(xié)同呢?平勁松介紹，在空間，NCLE載荷與嫦娥四號(hào)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(duì)可以獨(dú)立和協(xié)同工作的射電天文臺(tái)。這兩者的協(xié)同在項(xiàng)目提出時(shí)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(guó)家天文臺(tái)明安圖天文基地、中科院云南天文臺(tái)的太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡，以及位于山東省威海市的山大威海分校的太陽(yáng)射電槎山觀測(cè)站一起配合月球的兩個(gè)空間天文臺(tái)開(kāi)展協(xié)同觀測(cè)。

協(xié)同方式包括同時(shí)在調(diào)頻(HF)、甚高頻(VHF)和特高頻(UFH)等頻帶開(kāi)展太陽(yáng)射電爆發(fā)的頻譜搜尋監(jiān)測(cè);在HF頻帶針對(duì)預(yù)期的木星射電爆發(fā)開(kāi)展同步探測(cè);擇機(jī)開(kāi)展地月40多萬(wàn)公里上HF頻帶空間干涉測(cè)量的技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，以及測(cè)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(duì)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的低頻射電輻射進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究其規(guī)律特性是NCLE的科學(xué)任務(wù)之一。

典型的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)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(yáng)風(fēng)的形式在行星際旅行，對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。日冕物質(zhì)拋射(CME)驅(qū)動(dòng)的激波壓縮地球磁層時(shí)，可能會(huì)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(qiáng)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(wàn)居民。

了解CME激波在日冕和行星際空間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，有助于對(duì)災(zāi)害性空間天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警。然而，激波很難被觀測(cè)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(yùn)動(dòng)的“示蹤器”——Ⅱ型射電暴。

“NCLE對(duì)Ⅱ型射電暴的觀測(cè)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(cè)設(shè)備和NCLE對(duì)Ⅱ型射電暴的運(yùn)行軌跡進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，示蹤C(jī)ME激波在日冕和行星際空間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，將為災(zāi)害性空間天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)提供重要支撐。

關(guān)鍵詞： 鵲橋 三根天線(xiàn) 宇宙黑暗時(shí)代