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科技報導

“鵲橋”又有新動作 三根天線探秘宇宙黑暗時代



自順利著陸月球背面以來,嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車的一舉一動都備受關注。事實上,我們能得知它們的動態,多虧“鵲橋”號中繼星架起的通信橋樑。在提供通信中繼服務的同時,“鵲橋”號中繼星還肩負著多項科學與技術實驗任務。

日前,嫦娥四號任務工程團隊對“鵲橋”號中繼星上所搭載的中-荷低頻射電探測儀(NCLE)載荷實施了載荷三根天線展開工作。

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“此次天線的展開標誌著NCLE載荷正式進入科學探測階段,且成為目前距離地球最遠、可長期工作的空間射電天文台。”負責領導NCLE中方團隊的中科院國家天文台研究員平勁鬆在接受科技日報記者採訪時說道。

“聆聽”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的“鵲橋”號彷彿變身成“天線寶寶”,豎起了“耳朵”。可別小瞧這三根天線,它們將“聆聽”來自宇宙深處的聲音,幫助科學家破解宇宙黑暗時代的一些謎團。

宇宙大爆炸後,溫度非常高,密度也非常大,幾乎處處在發光。緊接著,宇宙進入了一個不發光的時期,即黑暗時代。這一時期,宇宙中充斥著大量的中性氫,發光的第一代恆星還沒有形成。

為了探尋黑暗時代的“遺跡”,天文學家一直都在尋找原始的中性氫氣中,電子自發反轉自旋方向時發出的信號。這些信號在誕生之初本來是波長較短的射電波,但在130億年的漫長旅行中,宇宙的膨脹效應使它們變成了波長很長的低頻波。

“想要探測到這一低頻波信號,需要在非常'安靜'的電磁環境中去'傾聽',月球背面及其上空正好是一個理想場所。”平勁松表示,中荷兩方科學家都希望,隨著NCLE載荷的正常運轉,我們可以更多地了解關於宇宙黑暗時代的未知信息。

科學家不僅希望找到來自黑暗時代的低頻射電信號,還迫切想知道,宇宙大爆炸之後,這些信號在宇宙中的分佈情況,比如是否是均勻分佈。不少專家認為,其分佈狀態很可能是不均勻的,如果能找到分佈不均勻性的證據,將是一個重要發現。

“當然,想要證明其不均性,僅僅靠NCLE載荷難以實現,需要成百上千的類似天線組成陣列才有可能做到,這也是未來努力的方向。在未來宇宙學領域的低頻射電探測方向上,NCLE更多的是扮演探路者的角色。”平勁松說道。

問路系外行星射電探測

行星射電爆發的探測和研究,是天文學和地球物理學的一個交叉領域。行星射電爆發並不遙遠,事實上,在極光發生區域的上空,還存在地球射電爆發現象。

不只是地球,太陽系內五顆行星都有類似的射電爆發。這些行星輻射的千米波電磁波,頻率範圍分佈在100千赫茲到1200千赫茲之間,爆發時長從幾秒到幾分鐘、幾十分鐘不等。

儘管行星射電爆發的現象常見,但關於它們的輻射機制卻沒有定論。平勁松介紹,對太陽系行星射電爆發進行監視監測是NCLE的重要任務之一。對地球、木星射電爆發展開長期系統研究,有助於進一步揭示這些爆發輻射的極光功率和太陽風動力學功率之間的關聯。

此外,研究地球和木星射電爆發的射電天文學家們猜測,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,在光學以外的其他波段來探測系外行星?

然而,想探測諸如木星大小的系外行星的射電輻射,需要探測器擁有強大的探測能力。當前的射電望遠鏡陣列只能探測到距離我們一光年的類木星射電爆發強度的信號。這遠小於地球與離太陽系最近的比鄰星之間的距離。

因此,想探測更遠的系外行星,其磁場必須能產生更強的射電信號,例如比木星體積大10到100倍的類木行星,其信號才有可能被探測到。另外,只要恆星的磁場強度足夠強,這個恆星系統就能產生比木星亮一百萬倍的射電爆發。

迄今為止,使用低頻射電望遠鏡尋找來自系外行星的第一束射電波的嘗試還沒有成功。平勁松認為,NCLE對木星和地球的射電爆發探測,將為後續探測方法的優化、探測能力的提升,提供新的線索和途徑。

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天地配合展開協同觀測

雖然是目前距離地球最遠的空間射電天文台,可NCLE並不孤獨。它將與地面和空間的其他射電觀測設施進行協同觀測,展開多信使的天文學研究。

什麼是多信使天文學研究?平勁松以太陽射電爆發為例說道,太陽發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。就整個輻射過程而言,不僅需要探測高頻波段,地面探測不到的低頻部分也需要空間設施進行探測。多個設施的聯合觀測,有利於實現對同一事件的完整觀測。

此外,有些頻點,天上和地面的設施都能觀測到。一般而言,地面上的設施,標定更為精準,通過其觀測結果可以對天文事件進行反演。對同一時點地面和空間觀測的結果進行比對,可以對空間設備進行校準和定標,這也是另一個層面的協同。

具體而言,NCLE載荷如何與其他觀測設施展開協同呢?平勁松介紹,在空間,NCLE載荷與嫦娥四號著陸器搭載的低頻射電頻譜儀,構成了月球表面和空間的一對可以獨立和協同工作的射電天文台。這兩者的協同在項目提出時就已經安排和規劃了。

在地面上,NCLE將和位於荷蘭的LOFAR低頻射電天文陣列、中科院國家天文台明安圖天文基地、中科院雲南天文台的太陽射電望遠鏡,以及位於山東省威海市的山大威海分校的太陽射電槎山觀測站一起配合月球的兩個空間天文台開展協同觀測。

協同方式包括同時在調頻(HF)、甚高頻(VHF)和特高頻(UFH)等頻帶開展太陽射電爆發的頻譜搜尋監測;在HF頻帶針對預期的木星射電爆發開展同步探測;擇機開展地月40多萬公里上HF頻帶空間干涉測量的技術試驗驗證,以及測量木星爆發事件的空間精密位置等。

支撐災害性空間天氣預警

對太陽爆發活動產生的低頻射電輻射進行監測,研究其規律特性是NCLE的科學任務之一。

典型的太陽爆發活動包括耀斑和日冕物質拋射,其產生的帶電粒子流以太陽風的形式在行星際旅行,對地球磁場產生擾動。日冕物質拋射(CME)驅動的激波壓縮地球磁層時,可能會導致地磁暴的發生。

令人印象深刻的是,1989年,一次CME所引發的強磁暴襲擊了加拿大魁北克地區的電網,導致該地區出現大範圍的斷電事故,直接影響600萬居民。

了解CME激波在日冕和行星際空間的運動過程,有助於對災害性空間天氣進行預報預警。然而,激波很難被觀測到。為了捕捉它的軌跡,科學家找到了它在日冕和行星際空間運動的“示踪器”——Ⅱ型射電暴。

“NCLE對Ⅱ型射電暴的觀測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,利用地基觀測設備和NCLE對Ⅱ型射電暴的運行軌跡進行聯合觀測,示踪CME激波在日冕和行星際空間的運動過程,將為災害性空間天氣的預警預報提供重要支撐。