5月21日,嫦娥四号中继星“鹊桥”成功发射,它将为年底前就会到达月球背面的嫦娥四号登月探测器提供通信。除了提供中继通信服务,“鹊桥”还将探测宇宙最初期的黑暗年代。“鹊桥”上装载的无线电接收机会在月球环境中接收宇宙中的低频信号,这些信号或许可以让我们了解大爆炸发生几亿年后,恒星刚刚开始形成时的宇宙。
这项任务将验证在大气层外采集电磁波信号的天文学研究方法。大气层阻挡了关键频率的电磁波,在大气层外也可以少受地球表面事物的影响。麻省理工学院海斯塔克天文台的Michael Hecht也组织了团队发展小型无线电卫星来观测宇宙,他说:“在太空中完成这些工作令人神往。”对欧洲的天文学家来说,在NASA的相关项目被砍掉后,他们将寻求与中国合作,而这项任务就是一个尝试。
荷兰-中国低频探测器项目(NCLE)于2015年起步,当时双方同意就航空任务达成合作。荷兰的射电天文学较强,其低频阵列项目(LOFAR)的望远镜遍布西欧。NCLE项目的领导是拉德堡德大学的Heino Falcke,他一直想建成一个“在月球上的LOFAR”。正好中国的探月工程目标远大,所以他就抓住了这个机会,在与中国进行太空项目的合作上迈出了第一步。
恒星形成前的宇宙中有着中性氢气云,当氢气云中的电子自旋方向发生改变时,就会放出电磁波,天文学家们正是通过捕捉这些电磁波信号来探索当时的宇宙。这些光子发射时波长较短,但是在130多亿年后来到地球时,宇宙的膨胀已经将它们的波长变长,频率也降到了兆赫兹的量级。在气体聚集形成恒星后,它们的辐射将中性气体离子化并最终抹去了那微弱的信号。
LOFAR一类的望远镜的目标,就是寻找这些远古时代的信号,并用其来描绘宇宙形成初期的物质分布。但是地球上存在各种干扰源,太空中其他物体也会有干扰,这就使这些信号难以观测。只有一个实验宣称依靠在澳大利亚的陆基天线探测到了这样的信号,而这个实验的目标是观测再电离时期的宇宙。
“鹊桥”在月球旁的拉格朗日L2点绕转,卫星在这个点受到的干扰会更少一些。“鹊桥”在到达L2之后,会支持嫦娥四号探索月球背面的巨大的撞击坑——南极-艾托肯盆地。之后,在2019年3月左右,“鹊桥”会将处于缠绕状态的三个两米长的碳纤维天线解开并伸出,三个天线彼此垂直。
地球大气会将所有30兆赫兹以下的无线电信号屏蔽掉,所以很多天文学家得到这些以前没有的数据会很欣喜。Falcke说团队会研究太阳耀斑,木星的极光和银河系的无线电波释放。他说:“有实实在在的数据是最好的事情了,”他认为,这项任务将“为以后的任务积累经验”。
我国的NCLE团队在“鹊桥”上放置了嫦娥四号的信号接收器和两个微型卫星,这两个微型卫星将被“鹊桥”释放到月球轨道上来研究太阳射线暴发。国家天文台的平劲松研究员说,他的团队将尝试把NCLE接收到的信号和地球轨道上的探测器的信号结合起来,这种手段叫做干涉,可以提高分辨率。他说:“这是对干涉提高分辨率的一种证明。”这有可能会表明只要探测器足够灵敏,干涉就可以使人们了解早期宇宙的图景。
Burns和同事们正在提议发射一枚叫做黑暗时代偏振探路者(the Dark Ages Polarimetry Pathfinder)的小型卫星,他说这枚卫星会对黑暗时代的信号更为敏感。但是他的终极目标还是在月球背面建一个天文观测站,这样可以让月球的阴影阻挡各种干扰。他预言在五年之内NASA就会提供资金发射一个低频望远镜。他说:“月球背面有着很多有意思的事物。”