探测宇宙的鸿蒙丨Calling太空

　　编者按：＂浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索＂，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设＂Calling太空＂科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
　　人类对宇宙的观测，从肉眼观测发展到光学望远镜，再到射电和卫星上的各种探测器，已经对绝大部分电磁波段进行了覆盖。然而，即便脱离了大气层，因受到两个方面的限制，还有一个电磁波谱段仍然无法为我们所利用，使得人类还没有实现全谱段的天文观测。这个谱段的宇宙信息，对人类而言仍然是神秘的。这个谱段就是兆赫兹和更低频率的超长波无线电谱段。两个主要限制是：一、即使在太空中观测，无线电信号不再被电离层遮挡，地球大气中的闪电以及人类主动发射的各种电磁波的能量仍然要大大高于来自太空的信号，影响我们的观测；二、由于这个频段的波长很长（十米到千米），要想做高分辨率的成像很难，望远镜口径需要比波长大得多。因此至今没有任何探测器能够实现高分辨的超长波射电天文成像观测。
　　那么，为什么我们非要在全电磁波的谱段来观测宇宙呢？在这个超长波无线电波段观测宇宙的科学意义是什么呢？这要从宇宙的起源说起。宇宙起源于一次大爆炸，大爆炸之后出现了最基本的粒子以及最简单的物质，即质子和电子。随着宇宙温度降低，质子和电子复合，出现了元素周期表中第一个元素，即中性氢原子。在大爆炸之后约三十万年到一亿年之间，宇宙充满了中性的氢原子和少量的氦原子，还没有形成恒星，也就没有核聚变辐射出光子。这段时间的宇宙是充满了最基本元素氢原子的宇宙，没有光子的辐射，在光波波段是一片漆黑的，因此被称为宇宙的黑暗时期，或宇宙的黑暗时代（Dark Age）。中国古人认为天地开辟之前是一团混沌的元气，这种自然的元气叫做鸿蒙，这一段时期叫鸿蒙初辟。从一个奇点的大爆炸到第一代恒星的出现之间，在宇宙的黑暗时代到底发生了什么？我们一直不得而知。人类的各种观测设备已经利用不同的电磁波段探测了从大爆炸到现代宇宙的几乎所有时期的信息，最近韦伯望远镜刚刚发现了大爆炸之后约3亿年形成的恒星。但韦伯望远镜也不具备观测宇宙黑暗时代的能力。所以，宇宙的黑暗时代也被称为是宇宙演化历史中，最难探测的时期。超长波无线电探测，被认为是最后一个有待开辟的电磁窗口。
　　要想了解黑暗时代的宇宙，并不是不可能。1944年荷兰天文学家范德·胡斯特（Vande Hulst, Hendrik Christoffell）在意外中发现了中性氢的一个特殊现象。当他测量一段充满了中性氢的截止波导的输出信号时，无意中发现不时有1.4GHz（波长21厘米）的脉冲输出。之后，理论物理学家证明，这个脉冲是电子在围绕氢原子核旋转的过程中，电子的旋转方向偶尔会从一个方向突变到另一个方向。一旦发生电子旋转方向的突变，就会有一个1.4GHz的微波脉冲辐射出来。这种现象被称为是中性氢原子的21厘米辐射。
　　氢原子是宇宙中物质构成的最基本元素，即使是到现在，在太阳系、银河系星际之间都普遍存在，因此21厘米的辐射也是宇宙中普遍存在的一种背景辐射。但是考虑到宇宙是在加速膨胀的，早期宇宙中氢原子的21厘米辐射加速远离我们，其频率会降低（也就是多普勒效应，或所谓的红移效应），那么大爆炸之后黑暗时代的中性氢的辐射，到达我们太阳系的时候，其频率就已经降低到了超长波无线电谱段。这就为我们探测宇宙黑暗时期，提供了机会。当然，在这个兆赫兹谱段，除了存在黑暗时期的微弱背景辐射，还有很多很强的辐射源，如来自太阳爆发的射电辐射、木星大气中的射电辐射、银河系和其他星系的其他辐射机制产生的前景射电辐射，特别是我们的地球还有各种自然和人为的辐射。因此，要想获得一个比较宁静的，兆赫兹谱段的观测环境，我们把目光转向了月球。
　　月球是一个已经没有地质活动和大气的天体。它巨大的体积，可以很好遮挡住我们并不希望看到的、特别是来自地球的很强的辐射信号。因此，将低频射电探测器放置在月球的背面，就可以很好地屏蔽来自地球，以及部分时间可以阻挡来自其他天体包括木星、太阳和银河系中心的射电辐射。那我们是把探测器着陆在月球背面好呢？还是让它围绕月球轨道飞行，并在其飞到月球背面时再开展探测呢？
　　如果是只有一个小天线的探测器，最经济的办法就是在月球轨道上测量。因为它在环绕月球飞行时，在月背弧段可以开展测量，在飞到朝向地球这面时向地球下传数据。如果降落到月球背面，则不但需要着陆器协助，还需要发射一颗中继卫星转发数据。但是如果是一面高分辨率的，像FAST那样的大反射面天线，就需要在月球背面找到一个非常接近抛物面形状或球面形状的撞击坑，并在这个坑内铺上反射网，架设接收机馈源天线。这就需要从地球运输大量物资，多次降落到月球背面，经过长时间的建设，才能开展观测。全世界的天文学家都提出过很多类似的设想。但是苦于建造费用太大，技术上也还不成熟，始终处于设计和论证中。为了研究这个鸿蒙初辟时期，中国科学家提出了鸿蒙计划，跨越了所有这些困难，创新地提出了利用微卫星编队在月球轨道飞行，开展高分辨率干涉成像的设想，既解决了高分辨率成像的问题，也解决了造价高昂的问题。
　　首先解释下什么叫干涉成像。一幅物理世界的影像，是由不同的空间结构组成的。结构复杂的地方其明暗变化快，结构简单的地方其明暗变化慢。空间结构明暗变化的快和慢也可以用空间频率来表达，如果我们对一幅物理世界的图像做二维傅里叶变换，就可以得到这副图像的空间频率分布。干涉成像，就是用由两个单元天线为基础组成的干涉仪，对物理世界图像的空间频率进行采样。如果能足够密集地在空间频率域采样，就可以通过反傅里叶变换，还原出原来物理世界的那幅图像。每次二单元干涉测量的基线长度和方向，就对应着这幅图像在空间频率域上的一个点（和空间频率域的共轭点）。
　　鸿蒙计划就是利用了这个原理，在月球轨道上编队飞行8颗微卫星。每颗微卫星上搭载着一个超长波射电干涉接收机，再由一颗主卫星测量微卫星之间的距离，并汇聚和下传数据。在飞行的过程中，微卫星两两之间不断地做干涉测量，由于干涉的基线长度不同且可以通过编队的控制改变其长度，所以基线可以从短到长全面覆盖空间频率域采样的需求。奇妙的是，伴随着轨道上这些微卫星绕月飞行，基线的方向也在变化着，这样就可以巧妙地对两维的空间频率域进行完整覆盖。更为奇妙的是，利用特殊设计的轨道倾角，轨道面还会缓慢旋转，也就是所谓的轨道进动，所以一条基线就可以覆盖三维空间频率域上的很多点。对其他天文观测来说，月球遮挡、轨道运动和轨道进动都是需要克服的困难，而鸿蒙计划却全面地利用了这些天体的运行规律来提高观测性能。由一颗主星带领的微卫星编队在月球背面开展观测，记录干涉数据。在飞到月球朝向我们地球这一面时向地球站传回数据。在1年多的时间里，编队就可以获得全部天区的观测数据，得到整个宇宙在低频射电波段的高分辨率的图像。
　　可以说，鸿蒙计划的科学目标瞄准的是最为重要的宇宙起源和演化问题，将打开最后一个未知的观测窗口，为天文学研究提供一个新的观测手段，获得宇宙学、天体物理、空间天气等很多领域的重要科学发现。鸿蒙计划的技术方案巧妙而独创，充分利用了月球背面宁静的射电环境和微卫星编队的优势，巧妙地利用轨道动力学手段，用较低的成本解决了长期未决的高分辨率低频射电空间成像观测问题，是高水平的技术创新。
　　鸿蒙计划于2015年由中国科学院提出，并联合荷兰射电天文研究所（ASTRON）共同参加了中欧联合科学探测计划的遴选，进入前4名，之后被遴选为中科院空间科学先导专项背景型号。中国科学院国家天文台研究员陈学雷任首席科学家，中国科学院国家空间科学中心阎敬业研究员任技术总负责人。2018年鸿蒙计划的低频射电载荷搭载哈尔滨工业大学的龙江2号微卫星，在月球轨道完成了测试实验，获得了月背宁静的低频射电频谱数据，也对天线和接收系统的各项指标进行了飞行验证。目前鸿蒙计划已经完成了所有相关技术攻关，具备了进入工程型号研制的条件。
　　龙江二号卫星示意图
　　龙江二号卫星探测的谱数据