中国创造历史的嫦娥四号探测器上周在月球背面软着陆,它开辟了一些令人兴奋的科学探索的新途径。当火星车开始研究月球地壳和地幔的构成时,一颗停在月球轨道上的小型无线电仪器将使科学家能够听到被地球大气层阻挡的低频信号。那么,在长期被人忽视之后,这些隐秘的无线电波能告诉我们什么呢?

我们在20世纪30年代首次探测到来自太空的无线电波,但直到第二次世界大战和雷达技术的进步,事情才真正变得有趣起来。其中一个著名的例子是20世纪60年代宇宙微波背景辐射的探测,宇宙大爆炸为其发现者赢得了1978年的诺贝尔物理学奖。

从那时起,无线电波在加深我们对宇宙的了解方面起了重要作用。通过处理这些望远镜收集到的信息,天文学家已经能够探测到新的天体,比如脉冲星和类星体,并利用来自遥远的氢云的无线电波绘制出遥远星系的结构图。

虽然他们教会了我们很多,但我们用来收集地球上无线电波的巨大抛物面天线只是描绘了其中的一部分。我们的大气层在无线电波到达我们之前就将其阻挡在较低的频率上,但是科学家们推断,如果我们能够收听的话,我们可以从它们那里学到更多东西,特别是关于早期宇宙的知识。

虽然也曾有类似的装备被送往太空,但它们的访问时间很短。虽然现代太空探测器装有无线电仪器,但它们的设计并没有考虑到射电天文学。相反,天文学家Marc Klein Wolt在Radboud大学的研究小组研制出了一种小型仪器,作为嫦娥四号登月计划的一部分,被送上了月球。

与荷兰射电天文学组织ASTRON和私营公司合作开发空间创新解决方案:NCLE(荷兰-中国低频探测器),于今年5月,搭载“雀桥”号卫星成功登月。这颗卫星是在嫦娥4号着陆器之前发射的,因为月球阻断了与地球的所有无线电联络,所以要想在月球较远的一侧着陆,就需要以某种方式传递信号。在这种情况下,科学家们已经通过一颗停在月球之外的卫星做到了这一点,卫星与地面和地球之间都有清晰的通信线路。

我们向Klein Wolt提出了一些问题,关于射电天文学进入太空的传统问题,如何克服这些挑战,以及他对这个相对较小但可能具有颠覆性的仪器的希望。

以前做过哪些尝试把射电望远镜送入太空?

最后一批专用仪器可以追溯到20世纪70年代,RAE-1和RAE-2。它们在月球背面往返过一次,但分辨率与我们不同,而且任务时间很短,只有几天,我们需要很长的积分时间。与此同时,也有一些频率相对较低的无线电仪器,例如Cassini有一台低频仪器,但这些仪器不是为我们的科学设计的,也不像我们这样可以达到如此低的频率。

为什么射电望远镜在大气层之外进入太空如此困难?

主要是成本。在过去几年里,数字处理技术也取得了一些重大进展,使高性能和低功耗成为可能,这为空间应用创造了更多的选择。在为一项太空任务寻找资金的过程中,我们与SKA项目展开了竞争,该项目拥有几乎相同的关键科学案例,尽管它永远不可能像我们在太空中那样达到如此低的频率。因此,寻找一项太空任务,甚至是一项背负任务,都很难。我们曾参与欧洲登月计划,但被取消了。

为什么鹊桥号卫星能够克服这些挑战?

基本上,确实是这样。中国人为我们提供了充足的质量、电力和通信预算,并且对低频无线电科学也很感兴趣。所以这是一种双赢的局面,我们把仪器放在月球背面相对安静的位置,虽然不是最理想的位置,但是目前为止是最好的,并且他们参与到科学中来。

大气层阻挡了某些无线电频率。我们对这些肉眼看不见的无线电波了解多少?它们可能隐藏着什么秘密?

在低于30MHz的频率下,大气层阻挡了几乎所有来自太空的辐射,因此地面射电望远镜什么也发现不了。但从理论模型中我们知道,太阳和木星都会在较低的无线电频率下显示出非常明亮的无线电闪烁,而且预计,我们已经在更高频率观察到的大量其他无线电源,如脉冲星和星系本身,其无线电发射将低于30MHz。

最后,我们所追寻的信号来自宇宙早期的一条21厘米长的氢谱线,来自被称为“宇宙黑暗时代”的恒星出现之前的时期,据预测其峰值为30MHz。第一颗被称为“宇宙黎明”的恒星点火发出的信号峰值约为70MHz。除了所有这些“已知-未知”,打开一个新的频率制度将导致那些未知的发现。

卫星和着陆器究竟将如何用于研究低频无线电波?

我们在卫星上有一台无线电仪器(NCLE-荷兰-中国低频探测器),它由三根5米长(16英尺)的碳纤维天线组成,用来捕捉无线电信号,还有一堆用于处理这些信号的电子设备。原则上,该仪器可以捕获频率在80kHz-80MHz之间的无线电波。

我们正在与一位中国科学家合作,解释来自我们仪器的数据。但着陆器上也有类似的无线电天线,灵敏度在0.1-40MHz之间,目标是探测来自太阳和木星的辐射。我们和中国人一起参加了这个仪器的科学小组。

这对射电天文学的未来意味着什么?

最后,我们需要更多的天线来完成我们的科学工作。我们希望从早期宇宙获得的信号非常微弱,制作详细的地图需要1-10平方公里(0.38-3.8平方英里)的大收集面积,但是在月球背面有一根天线,我们希望能探测到全球信号(黑暗时代信号的峰值在30MHz左右,宇宙黎明的峰值在70MHz)。因此,利用我们在鹊桥号卫星上的仪器,我们正在为未来更大的科学任务铺平道路,在这个过程中,我们正在为天文学打开最后一个几乎未被探索的领域。