嫦娥四號(hào)牽手“鵲橋” 推開(kāi)射電天文最后一扇窗

1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月球背面成功著陸。著陸器拍回了照片，玉兔二號(hào)月球車也下地撒歡，留下了一串腳印。安好家以后，它們就要開(kāi)始工作，開(kāi)展各項(xiàng)科學(xué)探測(cè)了。

其中，著陸器上低頻射電探測(cè)儀的三根5米天線已展開(kāi)到位。

“月球背面的電磁環(huán)境非常干凈，在那里開(kāi)展低頻射電探測(cè)是全世界天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的事情，將填補(bǔ)低頻射電觀測(cè)的空白。”國(guó)家空間科學(xué)中心副主任、月球與深空探測(cè)總體部主任鄒永廖說(shuō)。

尋找“干凈”的觀測(cè)環(huán)境 月球背面成絕佳地點(diǎn)

“電磁波譜的任何一個(gè)波段背后，都有天體的物理現(xiàn)象和機(jī)理。”中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員、嫦娥四號(hào)月球低頻射電探測(cè)儀中方首席專家平勁松告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“只要能感知到，就可以尋找它們的規(guī)律。”

1930年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室工程師卡爾⋅央斯基在短波高頻波段偶然收到來(lái)自地球之外的天體輻射，開(kāi)啟了射電天文的大門(mén)。自此，電磁波成為了天文學(xué)家觀測(cè)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(jìn)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(wú)法逃出地球范圍。但與此同時(shí)，來(lái)自地球以外低于10兆赫茲的電磁輻射，也無(wú)法透過(guò)地球電離層到達(dá)地面。可以說(shuō)，這個(gè)波段的天文觀測(cè)窗口被地球電離層“屏蔽”了。因而地面射電天文觀測(cè)都是在更高的頻段開(kāi)展。

既然在地球上無(wú)法開(kāi)展低頻射電探測(cè)，天文學(xué)家決定在太空尋找解決途徑。上世紀(jì)90年代，來(lái)自中國(guó)、荷蘭等國(guó)的射電天文學(xué)家開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)論證。然而，他們遇到了新的問(wèn)題。

“地球附近的人造天體太多了。”平勁松表示，這些衛(wèi)星以及各類航天器，都在發(fā)射人造電磁波，大量存在的人工信號(hào)會(huì)對(duì)觀測(cè)形成干擾。“離地球越遠(yuǎn)越好。”他說(shuō)，但即使把觀測(cè)設(shè)備架設(shè)到月球上，如果面向地球，仍然避不開(kāi)地球衛(wèi)星低頻無(wú)線電輻射的噪聲。

要突破地球電離層的屏蔽、躲開(kāi)衛(wèi)星的信號(hào)，還要遮擋來(lái)自太陽(yáng)的輻射，經(jīng)過(guò)種種約束的篩選，月球背面成為了滿足條件、技術(shù)可及的最佳選擇。

從阿波羅時(shí)代開(kāi)始，科學(xué)家就設(shè)想把低頻射電設(shè)備放到月球背面去探測(cè)，美國(guó)、日本等國(guó)都提出過(guò)建議，歐空局甚至制定過(guò)詳細(xì)的計(jì)劃，但最終均未實(shí)現(xiàn)。原因很簡(jiǎn)單，各國(guó)都沒(méi)有在月球背面著陸的探測(cè)器，怎么把設(shè)備放上去?

因此，甚低頻頻段一直是射電天文領(lǐng)域從未被開(kāi)墾過(guò)的處女地。直到嫦娥四號(hào)任務(wù)實(shí)施，為此項(xiàng)研究提供了絕佳的起步機(jī)會(huì)。

消除噪聲干擾 “卡拉OK技術(shù)”來(lái)幫忙

嫦娥四號(hào)任務(wù)中的低頻射電探測(cè)計(jì)劃，由中國(guó)和荷蘭共同開(kāi)展。科技日?qǐng)?bào)記者了解到，荷蘭在射電天文領(lǐng)域，尤其是低頻觀測(cè)上，堪稱國(guó)際上技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家之一。

2015年10月，荷蘭航天局局長(zhǎng)訪問(wèn)中國(guó)國(guó)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(xiàng)目被兩國(guó)納入嫦娥四號(hào)工程。中科院國(guó)家天文臺(tái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與荷

方月球低頻射電載荷工作事宜。

合作項(xiàng)目中，雙方研制了兩臺(tái)低頻射電探測(cè)儀。平勁松介紹說(shuō)，兩臺(tái)載荷的概念設(shè)計(jì)由中方提出，中荷各研制一臺(tái)，主要功能基本相當(dāng)，中方載荷搭載于嫦娥四號(hào)著陸器，荷方載荷搭載在2018年5月發(fā)射的鵲橋號(hào)中繼衛(wèi)星上。在工作模式上，中國(guó)載荷通過(guò)太陽(yáng)能供電，當(dāng)嫦娥四號(hào)著陸區(qū)是白天時(shí)開(kāi)展工作;入夜后，中繼星上的荷方載荷進(jìn)行工作。在探測(cè)目標(biāo)上，荷方載荷可以探測(cè)地球兩極的射電爆發(fā)，中方載荷可以屏蔽地球與太陽(yáng)的影響，探測(cè)更遠(yuǎn)的目標(biāo)。

不過(guò)該項(xiàng)目也面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)，噪聲仍是其中之一。雖然月球背面非常“清凈”，嫦娥四號(hào)本身帶來(lái)的干擾卻不容忽視。平勁松說(shuō)，鵲橋中繼星是全新研制的衛(wèi)星，在研發(fā)時(shí)就對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)噪聲采取了抑制措施，對(duì)載荷也有降噪處理。相比之下，作為嫦娥三號(hào)備份的嫦娥四號(hào)，畢竟是以探月為主業(yè)，并沒(méi)有做相關(guān)處理。

對(duì)此，載荷研制團(tuán)隊(duì)想出了其他辦法。

許多音樂(lè)發(fā)燒友都知道，在原聲音樂(lè)大碟里，不同音色都有各自的音軌，通過(guò)技術(shù)手段可以對(duì)音軌進(jìn)行編輯。比如，把一首歌里的人聲去掉，就能把它作為卡拉OK的伴奏。

科研人員借助類似原理，除了在嫦娥四號(hào)低頻射電探測(cè)儀上安裝了三根長(zhǎng)天線，還裝有一根短天線。電磁波輻射有近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)之分。來(lái)自嫦娥四號(hào)的近場(chǎng)信號(hào)，長(zhǎng)短天線都能接收，而宇宙天體傳來(lái)的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，長(zhǎng)天線可以清晰地收到，短天線卻有些“聽(tīng)不清”。憑借長(zhǎng)短天線接收信號(hào)的差別，科研人員就能把遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)和近場(chǎng)信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，再做“減法”。平勁松說(shuō)：“雖然嫦娥四號(hào)會(huì)帶來(lái)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(cè) 每項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都可能填補(bǔ)空白

平勁松介紹，作為低頻射電觀測(cè)的“探路者”，嫦娥四號(hào)工程中的兩臺(tái)低頻射電探測(cè)儀都采用了長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，在嫦娥四號(hào)任務(wù)期滿結(jié)束后，很可能會(huì)繼續(xù)工作數(shù)年，獲得更多觀測(cè)機(jī)會(huì)。

隨著射電天文學(xué)的最后一扇窗逐漸開(kāi)啟，“探路者”的每一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都有可能填補(bǔ)空白，這讓科學(xué)家們充滿期待。

平勁松說(shuō)，比如太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)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(shí)，相當(dāng)于是從離太陽(yáng)很遠(yuǎn)的地方發(fā)射出來(lái)。這樣的爆發(fā)過(guò)去從未觀測(cè)到，但今后只要遇上，就能觀測(cè)并且追蹤它發(fā)生的整個(gè)過(guò)程，這對(duì)研究日地空間的天氣效應(yīng)，構(gòu)建模型預(yù)報(bào)太陽(yáng)災(zāi)害事件等有很大幫助。

同時(shí)，嫦娥四號(hào)低頻射電探測(cè)儀還能借助對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)的觀測(cè)，探測(cè)月球的電離層環(huán)境。平勁松說(shuō)，如果月球還有電離層，它也會(huì)像地球電離層一樣阻擋電磁信號(hào)，但阻擋的頻率更低。因?yàn)樘?yáng)的爆發(fā)是連續(xù)的，我們可以計(jì)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(cè)儀，將與嫦娥四號(hào)低頻射電探測(cè)儀協(xié)同觀測(cè)。由于處在地月拉格朗日L2點(diǎn)，中繼星上的探測(cè)儀可以探測(cè)研究太陽(yáng)低頻射電特征和地月空間低頻射電環(huán)境;連續(xù)監(jiān)測(cè)地球千米波輻射爆發(fā)，探究其帶來(lái)的空間擾動(dòng)。還有望在行星際激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性成果。

除了觀測(cè)太陽(yáng)、地球、月球，低頻射電探測(cè)儀還有望觀測(cè)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(guò)程，同時(shí)探測(cè)銀河系電離氣體云的分布。在銀河系之外，射電星系的輻射往往來(lái)自中心大質(zhì)量黑洞活動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(cè)還可能看到更古老的噴流，從而加深對(duì)黑洞活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

更激動(dòng)人心的可能性，是用低頻射電探測(cè)儀觀測(cè)探索宇宙大爆炸結(jié)束后的黑暗時(shí)代，以及此后第一代恒星形成時(shí)的宇宙黎明。此前，美國(guó)EDGES實(shí)驗(yàn)在78兆赫茲頻段發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的吸收譜，這有可能是宇宙黎明產(chǎn)生的，但與標(biāo)準(zhǔn)理論模型相差很大，因此引起很大爭(zhēng)議。如果能在純凈的電磁環(huán)境中進(jìn)行這種觀測(cè)，將有助于提升實(shí)驗(yàn)的精度。

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