自順利著(zhù)陸月球背面以來(lái)，嫦娥四號著(zhù)陸器和玉兔二號月球車(chē)的一舉一動(dòng)都備受關(guān)注。事實(shí)上，我們能得知它們的動(dòng)態(tài)，多虧“鵲橋”號中繼星架起的通信橋梁。

　　在提供通信中繼服務(wù)的同時(shí)，“鵲橋”號中繼星還肩負著(zhù)多項科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗任務(wù)。日前，嫦娥四號任務(wù)工程團隊對“鵲橋”號中繼星上所搭載的中-荷低頻射電探測儀(NCLE)載荷實(shí)施了載荷三根天線(xiàn)展開(kāi)工作。

　　“此次天線(xiàn)的展開(kāi)標志著(zhù) NCLE 載荷正式進(jìn)入科學(xué)探測階段，且成為目前距離地球最遠、可長(cháng)期工作的空間射電天文臺。”負責領(lǐng)導 NCLE 中方團隊的中科院國家天文臺研究員平勁松在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)道。

　　“聆聽(tīng)”宇宙深處的聲音

　　傳回的圖片顯示，在不同角度豎起三根天線(xiàn)的“鵲橋”號仿佛變身成“天線(xiàn)寶寶”，豎起了“耳朵”?？蓜e小瞧這三根天線(xiàn)，它們將“聆聽(tīng)”來(lái)自宇宙深處的聲音，幫助科學(xué)家破解宇宙黑暗時(shí)代的一些謎團。

　　宇宙大爆炸后，溫度非常高，密度也非常大，幾乎處處在發(fā)光。緊接著(zhù)，宇宙進(jìn)入了一個(gè)不發(fā)光的時(shí)期，即黑暗時(shí)代。這一時(shí)期，宇宙中充斥著(zhù)大量的中性氫，發(fā)光的第一代恒星還沒(méi)有形成。

　　為了探尋黑暗時(shí)代的“遺跡”，天文學(xué)家一直都在尋找原始的中性氫氣中，電子自發(fā)反轉自旋方向時(shí)發(fā)出的信號。這些信號在誕生之初本來(lái)是波長(cháng)較短的射電波，但在 130 億年的漫長(cháng)旅行中，宇宙的膨脹效應使它們變成了波長(cháng)很長(cháng)的低頻波。

　　“想要探測到這一低頻波信號，需要在非常‘安靜’的電磁環(huán)境中去‘傾聽(tīng)’，月球背面及其上空正好是一個(gè)理想場(chǎng)所。”平勁松表示，中荷兩方科學(xué)家都希望，隨著(zhù) NCLE 載荷的正常運轉，我們可以更多地了解關(guān)于宇宙黑暗時(shí)代的未知信息。

　　科學(xué)家不僅希望找到來(lái)自黑暗時(shí)代的低頻射電信號，還迫切想知道，宇宙大爆炸之后，這些信號在宇宙中的分布情況，比如是否是均勻分布。不少專(zhuān)家認為，其分布狀態(tài)很可能是不均勻的，如果能找到分布不均勻性的證據，將是一個(gè)重要發(fā)現。

　　“當然，想要證明其不均性，僅僅靠 NCLE 載荷難以實(shí)現，需要成百上千的類(lèi)似天線(xiàn)組成陣列才有可能做到，這也是未來(lái)努力的方向。在未來(lái)宇宙學(xué)領(lǐng)域的低頻射電探測方向上，NCLE 更多的是扮演探路者的角色。”平勁松說(shuō)道。

　　問(wèn)路系外行星射電探測

　　行星射電爆發(fā)的探測和研究，是天文學(xué)和地球物理學(xué)的一個(gè)交叉領(lǐng)域。行星射電爆發(fā)并不遙遠，事實(shí)上，在極光發(fā)生區域的上空，還存在地球射電爆發(fā)現象。

　　不只是地球，太陽(yáng)系內五顆行星都有類(lèi)似的射電爆發(fā)。這些行星輻射的千米波電磁波，頻率范圍分布在 100 千赫茲到 1200 千赫茲之間，爆發(fā)時(shí)長(cháng)從幾秒到幾分鐘、幾十分鐘不等。

　　盡管行星射電爆發(fā)的現象常見(jiàn)，但關(guān)于它們的輻射機制卻沒(méi)有定論。平勁松介紹，對太陽(yáng)系行星射電爆發(fā)進(jìn)行監視監測是 NCLE 的重要任務(wù)之一。對地球、木星射電爆發(fā)展開(kāi)長(cháng)期系統研究，有助于進(jìn)一步揭示這些爆發(fā)輻射的極光功率和太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)力學(xué)功率之間的關(guān)聯(lián)。

　　此外，研究地球和木星射電爆發(fā)的射電天文學(xué)家們猜測，既然地球和木星在射電波段是如此的耀眼，是不是可以利用已知的行星射電輻射知識，在光學(xué)以外的其他波段來(lái)探測系外行星?

　　然而，想探測諸如木星大小的系外行星的射電輻射，需要探測器擁有強大的探測能力。當前的射電望遠鏡陣列只能探測到距離我們一光年的類(lèi)木星射電爆發(fā)強度的信號。這遠小于地球與離太陽(yáng)系最近的比鄰星之間的距離。

　　因此，想探測更遠的系外行星，其磁場(chǎng)必須能產(chǎn)生更強的射電信號，例如比木星體積大 10 到 100 倍的類(lèi)木行星，其信號才有可能被探測到。另外，只要恒星的磁場(chǎng)強度足夠強，這個(gè)恒星系統就能產(chǎn)生比木星亮一百萬(wàn)倍的射電爆發(fā)。

　　迄今為止，使用低頻射電望遠鏡尋找來(lái)自系外行星的第一束射電波的嘗試還沒(méi)有成功。平勁松認為，NCLE 對木星和地球的射電爆發(fā)探測，將為后續探測方法的優(yōu)化、探測能力的提升，提供新的線(xiàn)索和途徑。

　　天地配合展開(kāi)協(xié)同觀(guān)測

　　雖然是目前距離地球最遠的空間射電天文臺，可 NCLE 并不孤獨。它將與地面和空間的其他射電觀(guān)測設施進(jìn)行協(xié)同觀(guān)測，展開(kāi)多信使的天文學(xué)研究。

　　什么是多信使天文學(xué)研究?平勁松以太陽(yáng)射電爆發(fā)為例說(shuō)道，太陽(yáng)發(fā)出的電磁波輻射通常覆蓋了比較寬的頻帶，從毫米波一直到千米波。就整個(gè)輻射過(guò)程而言，不僅需要探測高頻波段，地面探測不到的低頻部分也需要空間設施進(jìn)行探測。多個(gè)設施的聯(lián)合觀(guān)測，有利于實(shí)現對同一事件的完整觀(guān)測。

　　此外，有些頻點(diǎn)，天上和地面的設施都能觀(guān)測到。一般而言，地面上的設施，標定更為精準，通過(guò)其觀(guān)測結果可以對天文事件進(jìn)行反演。對同一時(shí)點(diǎn)地面和空間觀(guān)測的結果進(jìn)行比對，可以對空間設備進(jìn)行校準和定標，這也是另一個(gè)層面的協(xié)同。

　　具體而言，NCLE 載荷如何與其他觀(guān)測設施展開(kāi)協(xié)同呢?平勁松介紹，在空間，NCLE 載荷與嫦娥四號著(zhù)陸器搭載的低頻射電頻譜儀，構成了月球表面和空間的一對可以獨立和協(xié)同工作的射電天文臺。這兩者的協(xié)同在項目提出時(shí)就已經(jīng)安排和規劃了。

　　在地面上，NCLE 將和位于荷蘭的 LOFAR 低頻射電天文陣列、中科院國家天文臺明安圖天文基地、中科院云南天文臺的太陽(yáng)射電望遠鏡，以及位于山東省威海市的山大威海分校的太陽(yáng)射電槎山觀(guān)測站一起配合月球的兩個(gè)空間天文臺開(kāi)展協(xié)同觀(guān)測。

　　協(xié)同方式包括同時(shí)在調頻(HF)、甚高頻(VHF)和特高頻(UFH)等頻帶開(kāi)展太陽(yáng)射電爆發(fā)的頻譜搜尋監測;在 HF 頻帶針對預期的木星射電爆發(fā)開(kāi)展同步探測;擇機開(kāi)展地月 40 多萬(wàn)公里上 HF 頻帶空間干涉測量的技術(shù)試驗驗證，以及測量木星爆發(fā)事件的空間精密位置等。

　　支撐災害性空間天氣預警

　　對太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的低頻射電輻射進(jìn)行監測，研究其規律特性是 NCLE 的科學(xué)任務(wù)之一。

　　典型的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)包括耀斑和日冕物質(zhì)拋射，其產(chǎn)生的帶電粒子流以太陽(yáng)風(fēng)的形式在行星際旅行，對地球磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。日冕物質(zhì)拋射(CME)驅動(dòng)的激波壓縮地球磁層時(shí)，可能會(huì )導致地磁暴的發(fā)生。

　　令人印象深刻的是，1989 年，一次 CME 所引發(fā)的強磁暴襲擊了加拿大魁北克地區的電網(wǎng)，導致該地區出現大范圍的斷電事故，直接影響 600 萬(wàn)居民。

　　了解 CME 激波在日冕和行星際空間的運動(dòng)過(guò)程，有助于對災害性空間天氣進(jìn)行預報預警。然而，激波很難被觀(guān)測到。為了捕捉它的軌跡，科學(xué)家找到了它在日冕和行星際空間運動(dòng)的“示蹤器”——Ⅱ型射電暴。

　　“NCLE 對Ⅱ型射電暴的觀(guān)測可以從離日心距離最近的日冕層部分一直延伸到行星際空間。”平勁松介紹，利用地基觀(guān)測設備和 NCLE 對Ⅱ型射電暴的運行軌跡進(jìn)行聯(lián)合觀(guān)測，示蹤 CME 激波在日冕和行星際空間的運動(dòng)過(guò)程，將為災害性空間天氣的預警預報提供重要支撐。
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