T月球的另一边是一片陌生而荒凉的区域,与我们每天晚上在地球上看到的熟悉且大多平滑的面孔截然不同。1959年,苏联的“月神3号”太空探测器第一次拍下了这个隐秘区域的照片。图片显示的不是广阔的平原,而是布满山脉的月球表面。此后的观测显示,月球背面也布满了崎岖不平的陨石坑,而且在这些陨石坑中还有更多的陨石坑。不久,这片崎岖的地形及其上方的太空将会有更奇怪的特征:它将布满无线电望远镜,由新一代的机器人漫游者和月球轨道器部署。

天文学家计划让月球的遥远一面成为我们了解宇宙黑暗时代的最新最佳窗口,这是一个隐藏着恒星和星系早期印迹的神秘时代。我们的宇宙并不总是充满这些在今天的天空中闪闪发光的明亮物体。大爆炸38万年后,宇宙冷却下来,第一个氢原子形成了。这种元素的巨大云很快充满了宇宙。但在几亿年的时间里,一切都是黑暗的,没有恒星。然后宇宙的黎明来临了:第一批恒星闪烁着光芒,星系旋转着出现了,慢慢地,宇宙的大尺度结构形成了。

这种结构的种子必须存在于暗年龄的氢云中,但是使用光学望远镜不可能探测时代 - 没有光。尽管这种氢产生了长波长(或低频)无线发射,但地球上的无线电望远镜发现几乎不可能检测到它们。我们的氛围无论是块还是扰乱这些微弱的信号;那些通过人类的无线电噪音淹没的人。

几十年来,科学家们一直梦想着在月球的远端研究宇宙黑暗时代。月球远离地球,也不受任何妨碍宇宙观察的重要大气的干扰。现在,多个太空机构计划在月球上携带无线电波探测设备,其中一些将在未来三年内完成,天文学家的梦想即将成为现实。

科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家杰克·伯恩斯(Jack Burns)说:“如果我要设计一个进行低频射电天文学的理想场所,我就得建造月球。”“我们现在终于可以在未来几年把这些望远镜放到月球上了。”

氢的心跳

望远镜可以探测到中性氢的想法可以追溯到20世纪40年代,当时荷兰天文学家Hendrik Christoffel van de Hulst预言氢原子可以自发地发出电磁辐射脉冲。这是因为每个氢原子可以在两种能量状态之间转换,发射或吸收波长为21厘米(或频率为1420兆赫)的辐射。这些气体的排放是氢的“心跳”,当气体云在宇宙尺度上积累时,它们可以加起来成为可探测的信号。

这种信号应该在大爆炸后大约38万年出现,当宇宙足够冷却以获得先前填充空间的质子和电子,以将空间聚集成氢气原子。除了形成所有后续物体的原材料外,该事件还具有使宇宙透明而不是不透明的额外益处,从而使大爆炸通过宇宙流汇流的化石辐射。我们现在看到这个辐射 - 大爆炸的余辉 - 作为宇宙微波背景(CMB)。此后,中性氢气渗透到黑暗宇宙中可能是前几亿年,直到宇宙黎明的突破,当第一颗星和星系开始发光。

宇宙学家对黑暗时代特别感兴趣,因为它们提供了宇宙相对原始时期的一瞥,没有天体物理效应的干扰。那时,中性氢的分布仍然带着原始量子涨落的印记,这些印记被宇宙在其历史的第一秒的快速膨胀所深刻放大——没有被恒星、星系和星系团的出现所玷污。来自黑暗时代的21厘米信号有可能表明新的物理学或偏离宇宙学的标准模型。“这是检验宇宙学的游乐场,”Burns说。

第一个在月球远端及上方的射电望远镜将是简单的。他们将收集关于这片不可见的宇宙时间的线索。随着更精密的仪器上线,21厘米的信号将显示出更丰富的细节,使天文学家能够创建动态的、高分辨率的氢云地图。

牛津大学的克里斯蒂安·扎布·阿达米(Kristian Zarb Adami)说:“中性氢的好处是它不像宇宙微波背景辐射那样只是一个时间快照。”通过在宇宙时间内跟踪21厘米的波动信号,望远镜可以绘制出早期宇宙从黑暗时代到宇宙黎明甚至更远的演化图。黎明之后是再电离时期,来自第一批大质量恒星的辐射和其他剧烈的天体物理现象将剩余的中性氢充分加热,使其重新变成等离子体。那个时代最终消灭了21厘米的信号。

远端先锋

一些探测器仪器已经在运行中。它们是中国长安4兰德的一部分,在月球远方,以及名为Queqiao(“Magpie Bridge”)的月球轨道器,其中将信号从着陆器传递到地球。Queqiao was launched in May 2018, and Chang’e-4 reached the lunar surface in January 2019. “This was the first time there was a soft landing on the far side of the moon,” says Bernard Foing, executive director of the International Lunar Exploration Working Group and a planetary scientist at VU Amsterdam. “It was a great success.”

嫦娥四号和鹊桥都携带无线电天线。但是,与荷兰科学家合作建造的鹊桥上的天线并没有完全延伸,而且嫦娥四号的单一天线受到来自着陆器电子设备的射频干扰(RFI)的阻碍。未来探测月球暗期的航天器可能包括额外的屏蔽以减少射频干扰。他们还可以在月球土壤的数十或数百公里处部署多个天线。

远地天文学的下一个准备阶段将于今年10月发射ROLSES(月球表面光电子鞘的无线电波观测)开始。ROLSES将乘坐私人开发的着陆器前往月球,该着陆器是NASA授权的商业月球有效载荷服务项目的一部分。尽管它将在月球近端的Procellarum区域着陆,ROLSES的任务是表征由月球土壤产生的RFI,这对于未来识别月球远端其他无线电信号的工作至关重要。“这是真实的,”伯恩斯说,他是ROLSES团队的一员。“我已经为此工作了35年。它实际上发生。”

另一种使命来表征月球上的射频干扰 - 月球表面电磁实验(LUSEE)-is早在2024即可推出的。“Lusee将进入远方,”伯恩斯说。“这将前往Schrömdinger冲击盆地。”携带Lusee的着陆器也可能具有另一个有效载荷:Dapper(暗年龄偏振数探测器),一个用于检测来自宇宙黑暗时代的21厘米信号的望远镜。“装饰最初是被设计为月球的轨道,但它可能会继续这个兰德,”伯恩斯说。“美国宇航局为我们提供了努力为荷叶布的使命概念工作。我们会准备好。“

无论是在轨道还是月球表面上,都会限制在一个位置的一组偶极天线。但天文学家有更雄心勃勃的计划在月球上部署天线阵列。这些阵列将来自各个天线的信号组合在大距离上传播,充当了远远超过单个天线的分辨率的望远镜,并且可以有效地定位天空中的源。

阵列时代

中国科学院国家天文台的陈雪雷认为,月球轨道是近期绘制暗年代月球阵列图的最佳地点。多颗卫星上的天线可以配置成一个阵列,当所有卫星都在远端时,就可以进行观测。“这是一个成本适中的小实验,我们可以用目前的技术完成它,”陈说。

暂定的计划要求一段五到八个卫星在仔细编排的形成中飞行形成阵列。其中一个卫星将是一个较大的母船,它将举办大多数电子设备,用于接收和将信号与其他卫星的信号组合,然后将结果中继到地球上。“我们希望将它们作为汇编推出,然后他们将被一个逐一发布,”陈说。

由于许多原因,将这种阵列放在远侧的表面上将更具挑战性,其中月亮的崎岖地形和14天长的月夜的航天器威胁的寒冷。为了开始准备这种类型的任务,Foing的团队计划使用德国航空航天中心设计的机器人群体来测试无线电天线的部署。测试将于6月发生在etna的侧翼上,一个在西西里岛的活性火山的侧翼意味着月球表面的代理。科学家们将远程控制流浪者;每个流浪者都将携带四个盒子天线。“我们将把它们定位在不同的配置中,以表明我们将来能够在月球上做到这一点,”Foing说。

另一种在月球远端部署无线电阵列的方法是简单地将轨道飞行器上的天线降落并展开。阿达米和他的同事正在研究一个这样的想法:一种低频干涉仪,设计用来精确测量无线电发射的特性,它包括128个类似分形的“迷你电台”。每个基站有8个天线臂,每个天线臂由16个螺旋天线组成。阿达米说:“我的想法是,这些陨石从卫星上脱落,然后在月球表面的不同部位着陆。”

为了最大限度地减少移动部件的数量,该团队已经弄清楚如何将这些天线作为平板作为平板,这将在月球表面上滚出后采取最终形式。“您可以像打印报纸一样快地打印天线。阿达米说,我们在过去的四年或五年里一直在测试这项技术。““我们处于原型设计这些螺旋天线。”他补充说,下一步是为科学家设计一个迷你站,并将其从偏远地区的无人机丢弃,例如西澳大利亚干旱地区,看它是否展开。

与此同时,伯恩斯还在领导一项由美国宇航局资助的概念研究,即建造另一台月球射电望远镜,称为“月球背面射电望远镜阵列”(FARSIDE Array for radio Science Investigations of the Dark age and Exoplanets)。为了设计FARSIDE,伯恩斯和加州理工学院的共同首席研究员格雷格·哈利南与美国宇航局的喷气推进实验室合作。科学家们希望用NASA资助的月球着陆器着陆4个探测车和256个天线,总重量约为1.5吨。漫游者将部署天线,在直径10公里的区域内分散成四个花瓣状的天线。“我们可以用现有的技术做到这一点,”伯恩斯说。“因此,这一切在未来10年看起来都很有道理。”