探測宇宙的鴻蒙丨Calling太空_風聞

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院國家空間科學中心聯合開設“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和航天相關的知識。

人類對宇宙的觀測，從肉眼觀測發展到光學望遠鏡，再到射電和衞星上的各種探測器，已經對絕大部分電磁波段進行了覆蓋。然而，即便脱離了大氣層，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，使得人類還沒有實現全譜段的天文觀測。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射的各種電磁波的能量仍然要大大高於來自太空的信號，影響我們的觀測；二、由於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，望遠鏡口徑需要比波長大得多。因此至今沒有任何探測器能夠實現高分辨的超長波射電天文成像觀測。

那麼，為什麼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意義是什麼呢？這要從宇宙的起源説起。宇宙起源於一次大爆炸，大爆炸之後出現了最基本的粒子以及最簡單的物質，即質子和電子。隨着宇宙温度降低，質子和電子複合，出現了元素週期表中第一個元素，即中性氫原子。在大爆炸之後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，還沒有形成恆星，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）。中國古人認為天地開闢之前是一團混沌的元氣，這種自然的元氣叫做鴻蒙，這一段時期叫鴻蒙初闢。從一個奇點的大爆炸到第一代恆星的出現之間，在宇宙的黑暗時代到底發生了什麼？我們一直不得而知。人類的各種觀測設備已經利用不同的電磁波段探測了從大爆炸到現代宇宙的幾乎所有時期的信息，最近韋伯望遠鏡剛剛發現了大爆炸之後約3億年形成的恆星。但韋伯望遠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，被認為是最後一個有待開闢的電磁窗口。

要想了解黑暗時代的宇宙，並不是不可能。1944年荷蘭天文學家範德·胡斯特（VandeHulst, Hendrik Christoffell）在意外中發現了中性氫的一個特殊現象。當他測量一段充滿了中性氫的截止波導的輸出信號時，無意中發現不時有1.4GHz（波長21釐米）的脈衝輸出。之後，理論物理學家證明，這個脈衝是電子在圍繞氫原子核旋轉的過程中，電子的旋轉方向偶爾會從一個方向突變到另一個方向。一旦發生電子旋轉方向的突變，就會有一個1.4GHz的微波脈衝輻射出來。這種現象被稱為是中性氫原子的21釐米輻射。

氫原子是宇宙中物質構成的最基本元素，即使是到現在，在太陽系、銀河系星際之間都普遍存在，因此21釐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釐米輻射加速遠離我們，其頻率會降低（也就是多普勒效應，或所謂的紅移效應），那麼大爆炸之後黑暗時代的中性氫的輻射，到達我們太陽系的時候，其頻率就已經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，提供了機會。當然，在這個兆赫茲譜段，除了存在黑暗時期的微弱背景輻射，還有很多很強的輻射源，如來自太陽爆發的射電輻射、木星大氣中的射電輻射、銀河系和其他星系的其他輻射機制產生的前景射電輻射，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境，我們把目光轉向了月球。

月球是一個已經沒有地質活動和大氣的天體。它巨大的體積，可以很好遮擋住我們並不希望看到的、特別是來自地球的很強的輻射信號。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。那我們是把探測器着陸在月球背面好呢？還是讓它圍繞月球軌道飛行，並在其飛到月球背面時再開展探測呢？

如果是隻有一個小天線的探測器，最經濟的辦法就是在月球軌道上測量。因為它在環繞月球飛行時，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據。如果降落到月球背面，則不但需要着陸器協助，還需要發射一顆中繼衞星轉發數據。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，並在這個坑內鋪上反射網，架設接收機饋源天線。這就需要從地球運輸大量物資，多次降落到月球背面，經過長時間的建設，才能開展觀測。全世界的天文學家都提出過很多類似的設想。但是苦於建造費用太大，技術上也還不成熟，始終處於設計和論證中。為了研究這個鴻蒙初闢時期，中國科學家提出了鴻蒙計劃，跨越了所有這些困難，創新地提出了利用微衞星編隊在月球軌道飛行，開展高分辨率干涉成像的設想，既解決了高分辨率成像的問題，也解決了造價高昂的問題。

首先解釋下什麼叫干涉成像。一幅物理世界的影像，是由不同的空間結構組成的。結構複雜的地方其明暗變化快，結構簡單的地方其明暗變化慢。空間結構明暗變化的快和慢也可以用空間頻率來表達，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佈。干涉成像，就是用由兩個單元天線為基礎組成的干涉儀，對物理世界圖像的空間頻率進行採樣。如果能足夠密集地在空間頻率域採樣，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，就對應着這幅圖像在空間頻率域上的一個點（和空間頻率域的共軛點）。

鴻蒙計劃就是利用了這個原理，在月球軌道上編隊飛行8顆微衞星。每顆微衞星上搭載着一個超長波射電干涉接收機，再由一顆主衞星測量微衞星之間的距離，並匯聚和下傳數據。在飛行的過程中，微衞星兩兩之間不斷地做干涉測量，由於干涉的基線長度不同且可以通過編隊的控制改變其長度，所以基線可以從短到長全面覆蓋空間頻率域採樣的需求。奇妙的是，伴隨着軌道上這些微衞星繞月飛行，基線的方向也在變化着，這樣就可以巧妙地對兩維的空間頻率域進行完整覆蓋。更為奇妙的是，利用特殊設計的軌道傾角，軌道面還會緩慢旋轉，也就是所謂的軌道進動，所以一條基線就可以覆蓋三維空間頻率域上的很多點。對其他天文觀測來説，月球遮擋、軌道運動和軌道進動都是需要克服的困難，而鴻蒙計劃卻全面地利用了這些天體的運行規律來提高觀測性能。由一顆主星帶領的微衞星編隊在月球背面開展觀測，記錄干涉數據。在飛到月球朝向我們地球這一面時向地球站傳回數據。在1年多的時間裏，編隊就可以獲得全部天區的觀測數據，得到整個宇宙在低頻射電波段的高分辨率的圖像。

可以説，鴻蒙計劃的科學目標瞄準的是最為重要的宇宙起源和演化問題，將打開最後一個未知的觀測窗口，為天文學研究提供一個新的觀測手段，獲得宇宙學、天體物理、空間天氣等很多領域的重要科學發現。鴻蒙計劃的技術方案巧妙而獨創，充分利用了月球背面寧靜的射電環境和微衞星編隊的優勢，巧妙地利用軌道動力學手段，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，是高水平的技術創新。

鴻蒙計劃於2015年由中國科學院提出，並聯合荷蘭射電天文研究所（ASTRON）共同參加了中歐聯合科學探測計劃的遴選，進入前4名，之後被遴選為中科院空間科學先導專項背景型號。中國科學院國家天文台研究員陳學雷任首席科學家，中國科學院國家空間科學中心閻敬業研究員任技術總負責人。2018年鴻蒙計劃的低頻射電載荷搭載哈爾濱工業大學的龍江2號微衞星，在月球軌道完成了測試實驗，獲得了月背寧靜的低頻射電頻譜數據，也對天線和接收系統的各項指標進行了飛行驗證。目前鴻蒙計劃已經完成了所有相關技術攻關，具備了進入工程型號研製的條件。

龍江二號衞星示意圖

龍江二號衞星探測的譜數據

來源：中國科學院國家空間科學中心