不僅是信號中繼星：「鵲橋」號將尋找宇宙黑暗時代的信號

長征四號丙火箭發射鵲橋號。來源：國家航天局供圖

編譯 | 劉博堯

審校 | 吳非

5月21日，嫦娥四號中繼星「鵲橋」成功發射，它將為年底前就會到達月球背面的嫦娥四號登月探測器提供通信。除了提供中繼通信服務，「鵲橋」還將探測宇宙最初期的黑暗年代。「鵲橋」上裝載的無線電接收機會在月球環境中接收宇宙中的低頻信號，這些信號或許可以讓我們了解大爆炸發生幾億年後，恆星剛剛開始形成時的宇宙。

這項任務將驗證在大氣層外採集電磁波信號的天文學研究方法。大氣層阻擋了關鍵頻率的電磁波，在大氣層外也可以少受地球表面事物的影響。麻省理工學院海斯塔克天文台的Michael Hecht也組織了團隊發展小型無線電衛星來觀測宇宙，他說：「在太空中完成這些工作令人神往。」對歐洲的天文學家來說，在NASA的相關項目被砍掉後，他們將尋求與中國合作，而這項任務就是一個嘗試。

廠房中的鵲橋號衛星。來源：航天科技集團五院

荷蘭-中國低頻探測器項目（NCLE）於2015年起步，當時雙方同意就航空任務達成合作。荷蘭的射電天文學較強，其低頻陣列項目（LOFAR）的望遠鏡遍布西歐。NCLE項目的領導是拉德堡德大學的Heino Falcke，他一直想建成一個「在月球上的LOFAR」。正好中國的探月工程目標遠大，所以他就抓住了這個機會，在與中國進行太空項目的合作上邁出了第一步。

恆星形成前的宇宙中有著中性氫氣雲，當氫氣雲中的電子自旋方向發生改變時，就會放出電磁波，天文學家們正是通過捕捉這些電磁波信號來探索當時的宇宙。這些光子發射時波長較短，但是在130多億年後來到地球時，宇宙的膨脹已經將它們的波長變長，頻率也降到了兆赫茲的量級。在氣體聚集形成恆星後，它們的輻射將中性氣體離子化並最終抹去了那微弱的信號。

LOFAR一類的望遠鏡的目標，就是尋找這些遠古時代的信號，並用其來描繪宇宙形成初期的物質分布。但是地球上存在各種干擾源，太空中其他物體也會有干擾，這就使這些信號難以觀測。只有一個實驗宣稱依靠在澳大利亞的陸基天線探測到了這樣的信號，而這個實驗的目標是觀測再電離時期的宇宙。

「鵲橋」在月球旁的拉格朗日L2點繞轉，衛星在這個點受到的干擾會更少一些。「鵲橋」在到達L2之後，會支持嫦娥四號探索月球背面的巨大的撞擊坑——南極-艾托肯盆地。之後，在2019年3月左右，「鵲橋」會將處於纏繞狀態的三個兩米長的碳纖維天線解開並伸出，三個天線彼此垂直。

地球大氣會將所有30兆赫茲以下的無線電信號屏蔽掉，所以很多天文學家得到這些以前沒有的數據會很欣喜。Falcke說團隊會研究太陽耀斑，木星的極光和銀河系的無線電波釋放。他說：「有實實在在的數據是最好的事情了，」他認為，這項任務將「為以後的任務積累經驗」。

我國的NCLE團隊在「鵲橋」上放置了嫦娥四號的信號接收器和兩個微型衛星，這兩個微型衛星將被「鵲橋」釋放到月球軌道上來研究太陽射線暴發。國家天文台的平勁松研究員說，他的團隊將嘗試把NCLE接收到的信號和地球軌道上的探測器的信號結合起來，這種手段叫做干涉，可以提高解析度。他說：「這是對干涉提高解析度的一種證明。」這有可能會表明只要探測器足夠靈敏，干涉就可以使人們了解早期宇宙的圖景。

Burns和同事們正在提議發射一枚叫做黑暗時代偏振探路者（the Dark Ages Polarimetry Pathfinder）的小型衛星，他說這枚衛星會對黑暗時代的信號更為敏感。但是他的終極目標還是在月球背面建一個天文觀測站，這樣可以讓月球的陰影阻擋各種干擾。他預言在五年之內NASA就會提供資金髮射一個低頻望遠鏡。他說：「月球背面有著很多有意思的事物。」

參考材料：

http://www.sciencemag.org/news/2018/05/china-s-moon-mission-will-probe-cosmic-dark-ages

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