心怀宇宙天地宽分享 http://blog.sciencenet.cn/u/陈学雷 国家天文台研究员,从事宇宙学研究

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双星绕月探长波 精选

已有 6115 次阅读 2018-5-23 01:23 |个人分类:科学普及|系统分类:科研笔记

 

1. 嫦娥、鹊桥与龙江

       “明月几时有,把酒问青天。”自古以来,人们对月球寄托了许多美好的想象,而在现代,月球也成为科学探索的重要目标。我国开展的嫦娥计划,自2007年以来已先后发射了嫦娥-1号、2号、3号探测器, 并即将开展嫦娥-4号任务。与以往各国发射的所有月球探测器不同,嫦娥-4号将首次在月球的背面着陆。由于月球的公转和自转周期相同,月球总是以同一面对着地球,在地球上无法看到月球的背面。195910月,苏联发射的月球-3号探测器绕飞月球,才首次拍下了月球背面的照片,然而迄今为止还没有任何航天器曾在月球背面着陆过,因此,这将是我国航天史上的一个创举。但是要在月球背面着陆并进行探测,就必须解决一个难题:如何把地面上的控制指令传送给着陆器,同时把探测到的数据传回地球?由于从月球背面也无法直接看到地球,这就需要有一颗卫星,在能同时被月球背面和地球看到的位置上值班,在嫦娥-4号的着陆器与地球之间传递信息。为此,我国研制了“鹊桥”卫星,这一卫星将于20185月发射。它将环绕地球-月球系统的第二拉格朗日点(L2)飞行。拉格朗日点是两个大质量天体周围的几个引力平衡点,得名于法国数学家拉格朗日。其中,地月系统L2点位于地球和月球的质心连线上月球背面一侧,距离月球中心约6万公里处。L2点本身与地球之间也被月球遮挡了,不过航天器如果在L2附近偏离月地连线,它受到的地球和月球引力将使其沿着围绕L2的所谓光晕轨道运行,这样就可以同时被月球背面和地球所看到,从而实现信号的中继传输。

 

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1. 鹊桥中继卫星和龙江卫星轨道示意图(未按比例)   

       长征-4C型火箭将鹊桥卫星发射到这一轨道其动力还绰绰有余,这宝贵的运力可不能浪费。因此,我国决定利用这一机会,搭载两颗实验微卫星(微卫星是指质量在10-100千克间的卫星,10千克以下的卫星则称为纳卫星)。这两颗微卫星由哈尔滨工业大学、中国科学院国家空间科学中心、中国科学院国家天文台联合研制,命名为龙江-1号和2号,它们将与鹊桥一起发射,然后各自进入环绕月球的飞行轨道,开展超长波射电天文观测实验。

 

2. 超长波天文

       天文观测始于可见光,但人类认识到光其实是一种电磁波后,就开始尝试在电磁波的不同频段进行天文观测。每开辟一个新的频段,人们往往会发现一些全新的天体或天文现象。比如,在无线电波段(天文上习惯称射电波段)的银河系宇宙线电子同步辐射、类星体(超大质量黑洞)、脉冲星、宇宙微波背景辐射等,在X-射线波段的X-射线双星,在伽玛射线波段的伽玛暴等。因此,天文学家们非常希望能系统地观测电磁频谱的所有不同部分。然而,还有一个波段迄今仍几乎空白,这就是频率为30MHz以下的超长波波段。其实,这一波段对射电天文学家也不是完全陌生,人类首次观测到天体射电信号就是上世纪30年代贝尔实验室的工程师央斯基(Karl Jansky)在这一频段测试通讯噪声时意外发现的。但是,地球大气的高层有电离层,电离气体会吸收频率较低的无线电波,即使没有被吸收的部分也受到强烈的折射,使信号随着电离层的湍流剧烈变化而难以观测。再加上自无线电发明以来人们就利用这些较低的频率开展了广播、通讯等业务,有许多人工干扰电波,因此在这一频道进行天文观测就非常困难。所以,射电天文学家们的绝大部分观测都是在更高的频率上进行的,这最初发现天体射电的频段反而留下了一片空白。按照无线电通讯的习惯,3-30MHz被划分为高频HF0.3-3MHz被划分为中频,使用收音机收听调幅(AM)广播的话,这也被称为短波和中波。不过在天文上这一频段算是极低的频率,频率越低,波长越长,因此我们称其为超长波。

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2. 大气对电磁频谱的吸收

      

       在空间开展超长波天文观测可以避免电离层的影响,不过在地球附近,这种观测仍会受到地球电磁波的强烈干扰,而月球可以挡住地球的电磁波,因此月球的背面提供了进行这种观测的绝佳环境。龙江-1号和2号微卫星将环绕月球飞行,当它们飞到月球背面时,就开机进行观测,并将数据记录下来;当飞到月球正面时, 再将数据传回地球。这为探测超长波提供了绝佳的机会。

       在超长波波段,究竟会有些什么天体或者天文现象等着我们发现呢?我们可以根据频率稍高一点的地面观测做些推测。首先,离我们最近也是最亮的是太阳和一些行星的射电活动。在射电波段,太阳平时(宁静时)与其他天体的亮度差异没有光学波段那么大。不过,太阳会不时发生一些射电爆发,这些爆发喷出的等离子体会在太阳系内传播,并在这一过程中不断辐射,而其辐射频率会逐渐降低。太阳系内的一些行星,特别是木星,往往也有很强的低频射电辐射,这与行星的磁层活动有很密切的关系。

       其次,银河系本身也是比较明亮的,这也是当初央斯基就曾观测到的。其实,天文学家们一开始对于在射电波段能否观测到天体并不是很乐观,因为当时他们根据热辐射谱推算,恒星的射电辐射相当微弱。但是出乎意料的是,银河系在射电波段竟然十分明亮,直到后来天文学家们才认识到,与光学辐射主要来自恒星的热辐射不同,在低频射电波段,辐射主要来自宇宙线电子在磁场中运动时发出的同步辐射。因此,这也说明宇宙线电子在银河系中普遍存在。进一步的观测还能给出它们的空间分布。甚至,有可能还将揭示宇宙线的起源与传播过程。另一方面,银河系中电离的气体也会对低频的电磁波产生吸收,因此在很低的频率上我们也能看到银河系电离气体云的分布。在银河系之外,射电星系的辐射往往来自中心大质量黑洞活动时产生的喷流。这些喷流逐渐冷却,其辐射的频率也逐渐降低,因此低频的观测可能会使我们看到更古老的喷流,从而加深对黑洞活动的认识。

       以上这些是可能较为明亮、较易探测的目标。不过,一个更为激动人心的目标是用超长波观测探索宇宙大爆炸结束后的黑暗时代以及此后第一代恒星形成时的宇宙黎明。宇宙黑暗时代和黎明时氢原子产生的21cm信号经过宇宙红移也落在这一频段。不久前,美国EDGES实验在78MHz(对应红移约17)处发现了一个相当强的吸收谱,这有可能是宇宙黎明产生的,但与标准理论模型相差很大,因此也有很大争议。如果能在不受电离层吸收折射以及地面干扰影响的空间进行这种观测,将有助于提升实验的精度(参见笔者撰写的《出人意料的宇宙黎明之冷》)。

 

3. 双星干涉

       每颗龙江微卫星可以单独进行超长波观测。每颗微卫星上配有两套天线,每套均由三根互相垂直的鞭状天线组成,可以同时测量不同偏振的电波。这些天线每根长1米,发射前象卷尺一样收拢起来,卫星进入正常轨道后,地面发出指令,展开这些天线。天线收到电波后,经过接收机的放大处理后转换成数字信号,得到每一时刻电磁辐射的频谱并记录下来。

 

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3. 两颗龙江微卫星在空中飞行(示意图)

      

       不过,这一米长的天线远远短于观测的波长(龙江计划观测的最短波长是10米,最长波长是300米),这么短的天线其方向性很弱,而难于区分不同方向射来的电波。如何能够提高分辨率,确定电波的方向呢? 实际上,这有点类似我们的耳朵:如果我们塞住一只耳朵而只用一只耳朵听的话,不太容易区分声音传来的方向,但如果用两只耳朵的话就比较容易知道声音传来的方向,这主要是因为声波传到两只耳朵的时间稍有不同,我们的大脑可以自动判别出来。同样的,

射电天文上使用干涉仪,将两个单元受到的信号做互相关,据此求出信号的到达时间差,从而定出来波的方向。如果使用多台天线构成干涉阵列,可以综合它们的测量得到天空的图像。这就是综合孔径成像方法。这一方法早已在射电天文上使用,其发明者赖尔(Martin Ryle) 曾因此获得诺贝尔物理学奖。

       不过,虽然地面上早就有了干涉阵,但在空间中,两颗卫星的相对距离和方位不断变化,甚至两颗星上的时间和频率基准都不一定相同,因此要做到空间的干涉观测并不容易。迄今为止,还没有空间两星相互干涉观测的实例,只有日本的HALCA和俄罗斯的Spektr-R(RadioAstron)进行了空间与地面之间的天文干涉观测(美国曾用TDRSS卫星进行过实验)。龙江-1号和2号将尝试首次开展空间干涉观测。为此,两颗微卫星将沿着同一轨道一前一后绕月飞行,距离一般在1~10公里间,在绕到月球正面时将观测数据发送到地面,并利用这一微波系统实现两星的测距和时间频率同步。另外,B星上装有LED灯,A星上则配有测角相机,用于测定相对方位。

       不过,由于这次的龙江卫星仅仅是“蹭车”--搭载实验,每颗只有46kg,而这其中很大一部分还是推进剂,用于使卫星减速进入月球轨道,所以能搭载的仪器很有限。因为推进剂有限,卫星轨道也比较粗放,难以经过精细调节进入离月球面比较近的圆形轨道,而是一条大椭圆轨道,近地点距离月球大约三百公里,远地点约九千公里,绕月一周所花的时间是大约13小时。另一方面,由于总重量有限,星上的太阳能电池就比较小。由于电力的限制,在每一轨中,只有大约10分钟可用于观测,20分钟可用于数据传输。因此,龙江卫星的观测方式是,当它飞到月球背面、到了预定观测的时刻,就开机进行10分钟观测后关机。然后,当它飞到月球正面时,到了预定通讯的时刻,再开机20分钟将数据传回地球,其余的时间都用于充电。此外,月球与地球间距离遥远,星上的小天线发射功率又不大,因此数据传输率也比较低,只能把很少一部分数据传回地球。

       由于这些原因,龙江微卫星对超长波天空的观测应该说还是比较初步的,主要是一种技术验证,为将来更大规模、专用的超长波观测阵列做好准备。但无论如何,这是迈开了环月超长波天文观测的第一步,我们对龙江充满期待!

      

  

本文经修改后,以《嫦娥4号|龙江升空,带我们找寻宇宙黎明时刻的光亮》为题发表于《科技日报》。另缩写版以《你猜谁蹭了嫦娥四号中继星的车》为题发表于国家天文台微信公众号。这里在我自己的博客上记录下这一文稿。如要转载,建议直接转载上述已发表的两篇文章。



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