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　　“明月幾時有，把酒問青天。”自古以來，人們對月球寄托了許多美好的想象。而在現(xiàn)代，月球成為科學(xué)探索的重要目標(biāo)。按照計劃，我國嫦娥四號探測任務(wù)將對月球背面展開探測。5月21日，嫦娥四號探測任務(wù)的先行者——“鵲橋”衛(wèi)星在四川西昌發(fā)射升空。它將在能同時被月球背面和地球看到的位置上值班，作為嫦娥四號著陸器和地球之間的信使傳遞信息。

　　與“鵲橋”衛(wèi)星同時升空的，還有兩顆實驗微衛(wèi)星龍江一號和龍江二號。這兩顆由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院國家空間科學(xué)中心、中科院國家天文臺聯(lián)合研制的微衛(wèi)星，將在進(jìn)入環(huán)繞月球的飛行軌道后，開展超長波射電天文觀測試驗。

　　近乎空白的超長波天文觀測

　　天文觀測始于可見光，但人類認(rèn)識到光其實是一種電磁波后，就開始嘗試在電磁波的不同頻段進(jìn)行天文觀測。每開辟一個新的頻段，人們往往會發(fā)現(xiàn)一些全新的天體或天文現(xiàn)象。比如，在無線電波段（天文上習(xí)慣稱射電波段）的銀河系宇宙線電子同步輻射、類星體（超大質(zhì)量黑洞）、脈沖星、宇宙微波背景輻射等，在X射線波段的X射線雙星，在伽馬射線波段的伽馬暴等。因此，天文學(xué)家們非常希望能系統(tǒng)地觀測電磁頻譜的所有不同部分。

　　然而，還有一個波段迄今仍幾乎空白，這就是頻率為30MHz以下的超長波波段。其實，這一波段對射電天文學(xué)家也不是完全陌生。人類首次觀測到天體射電信號就是上世紀(jì)30年代貝爾實驗室的工程師央斯基(Karl Jansky)在這一頻段測試通訊噪聲時意外發(fā)現(xiàn)的。但是，地球大氣的電離層會吸收頻率較低的無線電波，即使沒有被吸收的部分也受到強(qiáng)烈的折射，使信號隨著電離層的湍流劇烈變化而難以觀測。再加上自無線電發(fā)明以來人們就利用這些較低的頻率開展了廣播、通訊等業(yè)務(wù)，有許多人工干擾電波，因此在這一頻率進(jìn)行天文觀測非常困難。所以，射電天文學(xué)家們的絕大部分觀測都是在更高的頻率上進(jìn)行，這最初發(fā)現(xiàn)天體射電射輻射的頻段反而留下了一片空白。

　　按照無線電通訊的習(xí)慣，3—30MHz被劃分為高頻，0.3—3MHz被劃分為中頻，使用收音機(jī)收聽調(diào)幅（AM)廣播的話，它們也被稱為短波和中波。不過在天文上這一頻段算是極低的頻率，頻率越低，波長越長，因此我們稱其為超長波。

　　在空間開展超長波天文觀測可以避免電離層的影響。不過在地球附近，這種觀測仍會受到地球電磁波的強(qiáng)烈干擾，而月球可以擋住地球的電磁波，因此月球的背面提供了進(jìn)行這種觀測的絕佳環(huán)境。龍江一號和龍江二號微衛(wèi)星將環(huán)繞月球飛行，當(dāng)它們飛到月球背面時，就開機(jī)進(jìn)行觀測，并將數(shù)據(jù)記錄下來；當(dāng)飛到月球正面時, 再將數(shù)據(jù)傳回地球。

　　尋找宇宙黑暗時代的氫原子信號

　　在超長波波段，究竟會有些什么天體或者天文現(xiàn)象等著我們發(fā)現(xiàn)呢？我們可以根據(jù)頻率稍高一點(diǎn)的地面觀測做些推測。首先，離我們最近也是最亮的是太陽和一些行星的射電活動。在射電波段，太陽平時（寧靜時）與其他天體的亮度差異沒有光學(xué)波段那么大。不過，太陽會不時發(fā)生一些射電爆發(fā)。爆發(fā)中噴出的等離子體會在太陽系內(nèi)傳播，并在這一過程中不斷輻射，而其輻射頻率會逐漸降低。太陽系內(nèi)的一些行星，特別是木星，往往也有很強(qiáng)的低頻射電輻射，這與行星的磁層活動有很密切的關(guān)系。

　　其次，銀河系本身也是比較明亮的，這也是當(dāng)初央斯基就曾觀測到的。其實，天文學(xué)家們一開始對于在射電波段能否觀測到天體并不是很樂觀，因為當(dāng)時他們根據(jù)熱輻射譜推算，恒星的射電輻射相當(dāng)微弱。但是出乎意料的是，銀河系在射電波段竟然十分明亮。直到后來天文學(xué)家們才認(rèn)識到，與光學(xué)輻射主要來自恒星的熱輻射不同，在低頻射電波段，輻射主要來自宇宙線電子在磁場中運(yùn)動時發(fā)出的同步輻射。因此，這也說明宇宙線電子在銀河系中普遍存在。進(jìn)一步的觀測能給出它們的空間分布，甚至還有可能揭示宇宙線的起源與傳播過程。另一方面，銀河系中電離的氣體也會對低頻的電磁波產(chǎn)生吸收，因此在很低的頻率上我們能看到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自中心大質(zhì)量黑洞活動時產(chǎn)生的噴流。這些噴流逐漸冷卻，其輻射的頻率也逐漸降低，因此低頻的觀測可能會使我們看到更古老的噴流，從而加深對黑洞活動的認(rèn)識。

　　以上這些是可能較為明亮、較易探測的目標(biāo)。一個更為激動人心的目標(biāo)是用超長波觀測探索宇宙大爆炸結(jié)束后的黑暗時代以及此后第一代恒星形成時的宇宙黎明。宇宙黑暗時代和黎明時氫原子產(chǎn)生的21cm信號經(jīng)過宇宙紅移也落在這一頻段。不久前，美國EDGES實驗在78MHz處發(fā)現(xiàn)了一個相當(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，因此對其有很大爭議。如果能在不受電離層吸收折射以及地面干擾影響的空間進(jìn)行這種觀測，將有助于提升實驗的精度。

　　在太空列隊展開觀測

　　每顆龍江微衛(wèi)星可以單獨(dú)進(jìn)行超長波觀測。每顆微衛(wèi)星上配有兩套天線，每套均由三根互相垂直的鞭狀天線組成，可以同時測量不同偏振的電波。這些天線每根長1米，發(fā)射前像卷尺一樣收攏起來，衛(wèi)星進(jìn)入正常軌道后，地面發(fā)出指令，展開這些天線。電波被天線收到后，經(jīng)過接收機(jī)的放大處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成每一時刻電磁輻射的頻譜并記錄下來。

　　龍江計劃觀測的電波的最短波長是10米，最長波長是300米，而其天線長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于觀測的波長。這樣的結(jié)果是天線的方向性很弱，難以區(qū)分電波來自什么方向。如何能夠提高分辨率，確定電波的方向呢？實際上，這有點(diǎn)類似我們的耳朵：如果我們?nèi)∫恢欢涠挥靡恢欢渎犅曇舻脑?，不太容易區(qū)分聲音傳來的方向，但如果用兩只耳朵的話就比較容易知道聲音傳來的方向，這主要是因為聲波傳到兩只耳朵的時間稍有不同，我們的大腦可以自動判別出來聲音方向。

　　同樣的，射電天文上使用干涉陣，將兩個單元受到的信號做互相關(guān)，據(jù)此求出信號的到達(dá)時間差，從而定出來波的方向。如果使用多臺天線構(gòu)成干涉陣列，可以綜合它們的測量得到天空的圖像。這就是綜合孔徑成像方法。這一方法早已在射電天文上使用，其發(fā)明者賴爾(Martin Ryle) 曾因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

　　地面上早就有了射電干涉陣，但在空間中，兩顆衛(wèi)星的相對距離和方位不斷變化，甚至兩顆星上的時間和頻率基準(zhǔn)都不一定相同，因此要做到空間的干涉觀測并不容易。迄今為止，還沒有空間兩星相互干涉觀測的實例，只有日本的HALCA衛(wèi)星和俄羅斯的Spektr-R(Radio Astron)衛(wèi)星進(jìn)行了空間與地面之間的天文干涉觀測，美國曾用TDRSS衛(wèi)星進(jìn)行過實驗。

　　龍江一號和龍江二號將嘗試首次開展空間干涉觀測。為此，兩顆微衛(wèi)星將沿著同一軌道一前一后繞月飛行，距離一般在1—10公里間。在繞到月球正面時，它們將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，并利用這一微波系統(tǒng)實現(xiàn)兩星的測距和時間頻率同步。另外，兩個衛(wèi)星上分別裝有LED燈和測角相機(jī)，用于測定相對方位。

　　“蹭車”邁出探索的第一步

　　不過，由于這次的龍江衛(wèi)星僅僅是“蹭車”——搭載試驗，每顆衛(wèi)星只有46kg，而這其中很大一部分還是用于使衛(wèi)星減速進(jìn)入月球軌道的推進(jìn)劑，所以能搭載的儀器很有限。而且由于推進(jìn)劑有限，衛(wèi)星軌道也比較粗放，難以經(jīng)過精細(xì)調(diào)節(jié)進(jìn)入離月球面比較近的圓形軌道，而是一條大橢圓軌道。軌道近地點(diǎn)距離月球大約300公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)約9000公里，繞月一周所花的時間是大約13小時。

　　另一方面，由于總重量有限，衛(wèi)星上的太陽能電池就比較小。電力的限制，使龍江在每一圈繞轉(zhuǎn)中，只有大約10分鐘可用于觀測，20分鐘用于數(shù)據(jù)傳輸。因此，龍江衛(wèi)星的觀測方式是，當(dāng)它飛到月球背面、到了預(yù)定觀測的時刻，就開機(jī)進(jìn)行10分鐘觀測后關(guān)機(jī)。然后，當(dāng)它飛到月球正面時，到了預(yù)定通訊的時刻，再開機(jī)20分鐘將數(shù)據(jù)傳回地球，其余的時間都用于充電。此外，月球與地球間距離遙遠(yuǎn)，衛(wèi)星上的小天線發(fā)射功率又不大，因此數(shù)據(jù)傳輸率也比較低，只能把很少一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳回地球。

　　由于這些原因，龍江微衛(wèi)星對超長波天空的觀測應(yīng)該說還是比較初步的，主要是一種技術(shù)驗證，為將來更大規(guī)模、專用的超長波觀測陣列做好準(zhǔn)備。但無論如何，這邁開了環(huán)月超長波天文觀測的第一步，我們對龍江充滿期待?。ㄗ髡撸宏悓W(xué)雷，系中科院國家天文臺研究員）

　?。ㄔd于《科技日報》 2018-05-22 04版）