編者按：”浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”，為此，中科院之聲與中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心聯(lián)合開設(shè)“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學(xué)和航天相關(guān)的知識。
人類對宇宙的觀測，從肉眼觀測發(fā)展到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，再到射電和衛(wèi)星上的各種探測器，已經(jīng)對絕大部分電磁波段進(jìn)行了覆蓋。然而，即便脫離了大氣層，因受到兩個方面的限制，還有一個電磁波譜段仍然無法為我們所利用，使得人類還沒有實(shí)現(xiàn)全譜段的天文觀測。這個譜段的宇宙信息，對人類而言仍然是神秘的。這個譜段就是兆赫茲和更低頻率的超長波無線電譜段。兩個主要限制是：一、即使在太空中觀測，無線電信號不再被電離層遮擋，地球大氣中的閃電以及人類主動發(fā)射的各種電磁波的能量仍然要大大高于來自太空的信號，影響我們的觀測；二、由于這個頻段的波長很長（十米到千米），要想做高分辨率的成像很難，望遠(yuǎn)鏡口徑需要比波長大得多。因此至今沒有任何探測器能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨的超長波射電天文成像觀測。
那么，為什么我們非要在全電磁波的譜段來觀測宇宙呢？在這個超長波無線電波段觀測宇宙的科學(xué)意義是什么呢？這要從宇宙的起源說起。宇宙起源于一次大爆炸，大爆炸之后出現(xiàn)了最基本的粒子以及最簡單的物質(zhì)，即質(zhì)子和電子。隨著宇宙溫度降低，質(zhì)子和電子復(fù)合，出現(xiàn)了元素周期表中第一個元素，即中性氫原子。在大爆炸之后約三十萬年到一億年之間，宇宙充滿了中性的氫原子和少量的氦原子，還沒有形成恒星，也就沒有核聚變輻射出光子。這段時間的宇宙是充滿了最基本元素氫原子的宇宙，沒有光子的輻射，在光波波段是一片漆黑的，因此被稱為宇宙的黑暗時期，或宇宙的黑暗時代（Dark Age）。中國古人認(rèn)為天地開辟之前是一團(tuán)混沌的元?dú)?，這種自然的元?dú)饨凶?span id="hftniuh" class="wpcom_tag_link">鴻蒙，這一段時期叫鴻蒙初辟。從一個奇點(diǎn)的大爆炸到第一代恒星的出現(xiàn)之間，在宇宙的黑暗時代到底發(fā)生了什么？我們一直不得而知。人類的各種觀測設(shè)備已經(jīng)利用不同的電磁波段探測了從大爆炸到現(xiàn)代宇宙的幾乎所有時期的信息，最近韋伯望遠(yuǎn)鏡剛剛發(fā)現(xiàn)了大爆炸之后約3億年形成的恒星。但韋伯望遠(yuǎn)鏡也不具備觀測宇宙黑暗時代的能力。所以，宇宙的黑暗時代也被稱為是宇宙演化歷史中，最難探測的時期。超長波無線電探測，被認(rèn)為是最后一個有待開辟的電磁窗口。
要想了解黑暗時代的宇宙，并不是不可能。1944年荷蘭天文學(xué)家范德·胡斯特（Vande Hulst, Hendrik Christoffell）在意外中發(fā)現(xiàn)了中性氫的一個特殊現(xiàn)象。當(dāng)他測量一段充滿了中性氫的截止波導(dǎo)的輸出信號時，無意中發(fā)現(xiàn)不時有1.4GHz（波長21厘米）的脈沖輸出。之后，理論物理學(xué)家證明，這個脈沖是電子在圍繞氫原子核旋轉(zhuǎn)的過程中，電子的旋轉(zhuǎn)方向偶爾會從一個方向突變到另一個方向。一旦發(fā)生電子旋轉(zhuǎn)方向的突變，就會有一個1.4GHz的微波脈沖輻射出來。這種現(xiàn)象被稱為是中性氫原子的21厘米輻射。
氫原子是宇宙中物質(zhì)構(gòu)成的最基本元素，即使是到現(xiàn)在，在太陽系、銀河系星際之間都普遍存在，因此21厘米的輻射也是宇宙中普遍存在的一種背景輻射。但是考慮到宇宙是在加速膨脹的，早期宇宙中氫原子的21厘米輻射加速遠(yuǎn)離我們，其頻率會降低（也就是多普勒效應(yīng)，或所謂的紅移效應(yīng)），那么大爆炸之后黑暗時代的中性氫的輻射，到達(dá)我們太陽系的時候，其頻率就已經(jīng)降低到了超長波無線電譜段。這就為我們探測宇宙黑暗時期，提供了機(jī)會。當(dāng)然，在這個兆赫茲譜段，除了存在黑暗時期的微弱背景輻射，還有很多很強(qiáng)的輻射源，如來自太陽爆發(fā)的射電輻射、木星大氣中的射電輻射、銀河系和其他星系的其他輻射機(jī)制產(chǎn)生的前景射電輻射，特別是我們的地球還有各種自然和人為的輻射。因此，要想獲得一個比較寧靜的，兆赫茲譜段的觀測環(huán)境，我們把目光轉(zhuǎn)向了月球。
月球是一個已經(jīng)沒有地質(zhì)活動和大氣的天體。它巨大的體積，可以很好遮擋住我們并不希望看到的、特別是來自地球的很強(qiáng)的輻射信號。因此，將低頻射電探測器放置在月球的背面，就可以很好地屏蔽來自地球，以及部分時間可以阻擋來自其他天體包括木星、太陽和銀河系中心的射電輻射。那我們是把探測器著陸在月球背面好呢？還是讓它圍繞月球軌道飛行，并在其飛到月球背面時再開展探測呢？
如果是只有一個小天線的探測器，最經(jīng)濟(jì)的辦法就是在月球軌道上測量。因?yàn)樗诃h(huán)繞月球飛行時，在月背弧段可以開展測量，在飛到朝向地球這面時向地球下傳數(shù)據(jù)。如果降落到月球背面，則不但需要著陸器協(xié)助，還需要發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。但是如果是一面高分辨率的，像FAST那樣的大反射面天線，就需要在月球背面找到一個非常接近拋物面形狀或球面形狀的撞擊坑，并在這個坑內(nèi)鋪上反射網(wǎng)，架設(shè)接收機(jī)饋源天線。這就需要從地球運(yùn)輸大量物資，多次降落到月球背面，經(jīng)過長時間的建設(shè)，才能開展觀測。全世界的天文學(xué)家都提出過很多類似的設(shè)想。但是苦于建造費(fèi)用太大，技術(shù)上也還不成熟，始終處于設(shè)計(jì)和論證中。為了研究這個鴻蒙初辟時期，中國科學(xué)家提出了鴻蒙計(jì)劃，跨越了所有這些困難，創(chuàng)新地提出了利用微衛(wèi)星編隊(duì)在月球軌道飛行，開展高分辨率干涉成像的設(shè)想，既解決了高分辨率成像的問題，也解決了造價高昂的問題。
首先解釋下什么叫干涉成像。一幅物理世界的影像，是由不同的空間結(jié)構(gòu)組成的。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方其明暗變化快，結(jié)構(gòu)簡單的地方其明暗變化慢?？臻g結(jié)構(gòu)明暗變化的快和慢也可以用空間頻率來表達(dá)，如果我們對一幅物理世界的圖像做二維傅里葉變換，就可以得到這副圖像的空間頻率分布。干涉成像，就是用由兩個單元天線為基礎(chǔ)組成的干涉儀，對物理世界圖像的空間頻率進(jìn)行采樣。如果能足夠密集地在空間頻率域采樣，就可以通過反傅里葉變換，還原出原來物理世界的那幅圖像。每次二單元干涉測量的基線長度和方向，就對應(yīng)著這幅圖像在空間頻率域上的一個點(diǎn)（和空間頻率域的共軛點(diǎn)）。
鴻蒙計(jì)劃就是利用了這個原理，在月球軌道上編隊(duì)飛行8顆微衛(wèi)星。每顆微衛(wèi)星上搭載著一個超長波射電干涉接收機(jī)，再由一顆主衛(wèi)星測量微衛(wèi)星之間的距離，并匯聚和下傳數(shù)據(jù)。在飛行的過程中，微衛(wèi)星兩兩之間不斷地做干涉測量，由于干涉的基線長度不同且可以通過編隊(duì)的控制改變其長度，所以基線可以從短到長全面覆蓋空間頻率域采樣的需求。奇妙的是，伴隨著軌道上這些微衛(wèi)星繞月飛行，基線的方向也在變化著，這樣就可以巧妙地對兩維的空間頻率域進(jìn)行完整覆蓋。更為奇妙的是，利用特殊設(shè)計(jì)的軌道傾角，軌道面還會緩慢旋轉(zhuǎn)，也就是所謂的軌道進(jìn)動，所以一條基線就可以覆蓋三維空間頻率域上的很多點(diǎn)。對其他天文觀測來說，月球遮擋、軌道運(yùn)動和軌道進(jìn)動都是需要克服的困難，而鴻蒙計(jì)劃卻全面地利用了這些天體的運(yùn)行規(guī)律來提高觀測性能。由一顆主星帶領(lǐng)的微衛(wèi)星編隊(duì)在月球背面開展觀測，記錄干涉數(shù)據(jù)。在飛到月球朝向我們地球這一面時向地球站傳回?cái)?shù)據(jù)。在1年多的時間里，編隊(duì)就可以獲得全部天區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，得到整個宇宙在低頻射電波段的高分辨率的圖像。
可以說，鴻蒙計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)瞄準(zhǔn)的是最為重要的宇宙起源和演化問題，將打開最后一個未知的觀測窗口，為天文學(xué)研究提供一個新的觀測手段，獲得宇宙學(xué)、天體物理、空間天氣等很多領(lǐng)域的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。鴻蒙計(jì)劃的技術(shù)方案巧妙而獨(dú)創(chuàng)，充分利用了月球背面寧靜的射電環(huán)境和微衛(wèi)星編隊(duì)的優(yōu)勢，巧妙地利用軌道動力學(xué)手段，用較低的成本解決了長期未決的高分辨率低頻射電空間成像觀測問題，是高水平的技術(shù)創(chuàng)新。
鴻蒙計(jì)劃于2015年由中國科學(xué)院提出，并聯(lián)合荷蘭射電天文研究所（ASTRON）共同參加了中歐聯(lián)合科學(xué)探測計(jì)劃的遴選，進(jìn)入前4名，之后被遴選為中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)背景型號。中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷任首席科學(xué)家，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心閻敬業(yè)研究員任技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2018年鴻蒙計(jì)劃的低頻射電載荷搭載哈爾濱工業(yè)大學(xué)的龍江2號微衛(wèi)星，在月球軌道完成了測試實(shí)驗(yàn)，獲得了月背寧靜的低頻射電頻譜數(shù)據(jù)，也對天線和接收系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了飛行驗(yàn)證。目前鴻蒙計(jì)劃已經(jīng)完成了所有相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，具備了進(jìn)入工程型號研制的條件。
龍江二號衛(wèi)星示意圖
龍江二號衛(wèi)星探測的譜數(shù)據(jù)
來源：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
