鴻蒙開辟——打開超長波天文的新窗口 | 賽先生天文
收到一位本領(lǐng)域的先驅(qū)者的信件是一件驚喜而暖心的事。今年4月的一天，我們組收到了一封簡短的電子郵件，信中寫到：
我們以前從未見過這位Alexander先生，對他的生平也所知甚少，即使通過網(wǎng)絡(luò)查詢，也只知道他在NASA任高管多年，現(xiàn)在已退休。不過他的名字我們的確是熟悉的——他是僅有的幾篇超長波觀測論文的作者。
這里的“超長波”一詞，是指30MHz以下的射電天文頻段。在無線電通訊的術(shù)語中，這些頻段通常被稱為高頻（high frequency, HF）和中頻（Medium frequency, MF），比這些頻率稍高一點(diǎn)的頻段則被稱為特高頻（very high frequency, VHF），這些都是從無線電通訊的早期時(shí)代遺留下來的名詞。
但是在射電天文學(xué)中，VHF幾乎是現(xiàn)在觀測的最低頻段，為了避免誤解，我們引入超長波一詞。好在無線電通訊中使用的更低的ULF頻率，天文觀測中大概永遠(yuǎn)不會用到（因?yàn)樾请H介質(zhì)對其不透明），因此不至于發(fā)生混淆。
人類首次探測到天體的無線電波輻射就是在超長波頻段。但是，自那之后絕大部分射電觀測都使用了更高的頻率。一方面，在較低的頻率上，射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率不好，對同一個(gè)尺寸的天線波長越短分辨率越高。另一方面，越是低頻，電波受到電離層的反射、折射和吸收就越是強(qiáng)烈，在30MHz以下由于電離層的影響，收到的電波信號有很強(qiáng)的閃爍效應(yīng)（噪聲），數(shù)據(jù)處理相當(dāng)麻煩，而10MHz以下地面上幾乎無法收到天空的信號。更何況，這個(gè)頻段也是最早被用于廣播和無線電通訊的頻段，這些人工產(chǎn)生的強(qiáng)信號還會被電離層反射到很遠(yuǎn)的地方，因此地面觀測都有很強(qiáng)的干擾，更使觀測極為困難。
人類進(jìn)入太空時(shí)代后，從太空進(jìn)行天文觀測成為可能。當(dāng)時(shí)還年輕的Alexander先生參與研制了射電天文探索者（RAE）1號和2號衛(wèi)星，分別于1968年和1973年發(fā)射。RAE-1進(jìn)入地球軌道，但地球有強(qiáng)烈的天然和人工輻射，使其觀測變得相當(dāng)困難。RAE-2則進(jìn)入月球軌道，利用月球的遮擋，可以獲得較好的觀測結(jié)果。即使從五十年后的今天看來，這些衛(wèi)星的技術(shù)也頗有可觀之處——RAE-2僅重328千克，卻配有展開后長達(dá)229米和183米的V-型行波天線（圖1），其獲得的天圖至今仍是這一頻段的最好天圖（圖2）[1]。
但即便如此，這一天圖的分辨率仍然很低，在這一天圖上甚至都很難看清銀河，更不用說其它天體，對于超長波天空我們?nèi)匀粠缀跻粺o所知。
圖2. RAE-2所繪制的天圖
五十年過去了，然而這一領(lǐng)域卻停滯不前。如果天文領(lǐng)域有個(gè)誰進(jìn)步最慢的比賽，那超長波天文大概是第一名了。在RAE-2之后，雖然也有不少航天器攜帶了超長波探測器，但并未在性能上超越它，而只是利用其軌道所經(jīng)的不同位置對行星（例如木星、土星）或太陽射電爆發(fā)的強(qiáng)度進(jìn)行探測。
雖然也有不少科學(xué)家提出了超長波射電天文臺的各種設(shè)想，但遺憾的是這些設(shè)想都停留在紙面上未能付諸實(shí)施。之所以如此，與這些實(shí)驗(yàn)的技術(shù)難度和工程復(fù)雜性有很大關(guān)系。
例如，如果要在月球背面建造超長波望遠(yuǎn)鏡，就需要降落在月球背面，布設(shè)天線；為了在長達(dá)14天的月球黑夜開展觀測，需要配備同位素電池或超大的太陽能電源和蓄電池，甚至小型核電站；由于月球永遠(yuǎn)以同一面向著地球，為了把收集的數(shù)據(jù)傳回地球，還需要配備專門的中繼衛(wèi)星，運(yùn)行在同時(shí)能被地球和月球背面看到的位置，用于轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)。這是一套非常復(fù)雜的航天工程，頗不容易實(shí)現(xiàn)。
如果說在月球上布設(shè)天線來開展超長波天文觀測的方案不太容易實(shí)現(xiàn)，那么，在月球軌道上部署幾顆衛(wèi)星，讓它們構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)的干涉陣進(jìn)行觀測，也許是較為可行的第一步。首先，這些衛(wèi)星可以用同一發(fā)火箭發(fā)射到月球軌道，較之在月球背面著陸并部署陣列要容易得多；其次，供能方面，衛(wèi)星環(huán)繞月球軌道的周期只有幾個(gè)小時(shí)，可以使用常規(guī)的太陽能電池供電；而數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，衛(wèi)星也可以在月球遮擋住地球時(shí)開展觀測，而待到不被遮擋時(shí)把數(shù)據(jù)傳回地球。
陣列還能解決RAE所面對的角分辨率問題：RAE衛(wèi)星雖然配有長達(dá)兩百多米的天線，但對于波長為幾十米到幾百米的超長波而言，波長與天線尺寸相近，角分辨率仍然很差。由多顆衛(wèi)星構(gòu)成的陣列則可以采用干涉觀測的方式取得更高的角分辨率。
圖3展示了干涉儀測定射電源方向的原理：來自同一方向的電磁波被兩個(gè)不同位置的天線所接收，其到達(dá)天線1的時(shí)間比天線2晚 
, 這里b是兩個(gè)天線之間的距離，稱為基線長度，c 是光速，θ 是基線方向與源方向的夾角。基線長度和光速是已知的，只要測出時(shí)間延遲量 τ，就可以確定方向θ。
如何從觀測數(shù)據(jù)中確定時(shí)間延遲量 τ 呢？一個(gè)概念上最容易理解的辦法就是，把其中2號天線收到的電壓數(shù)據(jù)做不同大小的延遲后與1號天線收到的電壓做互相關(guān)（相乘），如果兩個(gè)延遲量大小一樣，兩個(gè)信號就總是同相位的，那么互相關(guān)最大；因此用這種方法就可以確定天文源的方向。基線的長度b越大，方向角 θ 就可以定的越準(zhǔn)，干涉儀的角分辨率約為 
弧度（λ為波長）。
圖3. 干涉測量原理
當(dāng)然，上面講的是單一射電源的情況，實(shí)際天空中有很多不同方向的射電源，這時(shí)的情況就比較復(fù)雜了，但是可以使用數(shù)學(xué)方法（傅里葉變換）很好地解決這一問題，這就是所謂的綜合成像方法，英國天文學(xué)家賴爾（Martin Ryle）因發(fā)明這種方法獲得了1974年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這一方法早已在地面的射電天文陣列中大量使用。
顯然，如果由多顆衛(wèi)星構(gòu)成陣列，它們的間距可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RAE天線的長度，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。2005年，筆者因?qū)τ钪妗?/span>黑暗時(shí)代”和“黎明時(shí)代”的研究，對超長波觀測產(chǎn)生了興趣。當(dāng)我發(fā)現(xiàn)這個(gè)波段還缺乏基本的觀測之后，提出了繞月衛(wèi)星陣列的實(shí)驗(yàn)設(shè)想[2]。
2007年，筆者到荷蘭參加會議時(shí)聽到Heino Falcke教授（他是事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT概念的提出者，現(xiàn)在因拍攝出著名的黑洞之影照片而聞名全球）在做報(bào)告時(shí)介紹了在月球背面布設(shè)天線陣開展超長波觀測的設(shè)想, 于是筆者也在會議茶歇時(shí)找到他，向他介紹了我的月球軌道陣列設(shè)想，并征詢他的意見。我記得Falcke當(dāng)時(shí)持保留態(tài)度：雖然他同意月球軌道陣列在技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn)，卻也指出一個(gè)問題：在月球表面部署陣列，其數(shù)據(jù)處理和地球上的射電陣列非常類似，然而月球軌道陣列卻將大相徑庭，沒有現(xiàn)成可用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。
這一問題確實(shí)存在。地面陣列的天線都處在相對靜止的狀態(tài)，基線只是由于地球的自轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，而月球軌道上由衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)成的陣列卻處在不斷的運(yùn)動(dòng)和變化中。另外，在以往的觀測中，地面望遠(yuǎn)鏡陣列中每個(gè)天線的尺寸都大于波長，因此天線的初級波束主瓣都只是一小片天空，這樣在數(shù)據(jù)處理中就可以只考慮這一小片天空，甚至可能把這一片天空近似為平面予以處理，從而簡化計(jì)算。而且，地面陣列中的天線也往往可以視為處在同一個(gè)平面上。在這些近似下，成像算法就簡化為傅里葉變換。
但是對于月球軌道陣列，這些近似都不再成立：天線基線隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)在不斷變化；由于超長波的波長太長，超過天線尺寸，導(dǎo)致天線收到的實(shí)際是來自整個(gè)天空的信號；基線分布在三維立體空間中，而且陣列運(yùn)行到月球軌道的不同地方時(shí)，還會被月球遮住不同方向的天空。這些復(fù)雜性意味著傳統(tǒng)的綜合成像方法在月球軌道陣列中無法使用，必須發(fā)展新的成像算法。即使到了今天，很多國外的學(xué)者一說到超長波，就想到在月球背面建干涉列陣，卻很少想到可以在月球軌道上進(jìn)行測量，因?yàn)檫@種測量與傳統(tǒng)的地面干涉陣差別太大了。
當(dāng)時(shí)，我還只是提出了月球軌道陣列的概念，還未深入研究綜合成像方法問題。不過，我相信這一問題原則上是可以解決的，總有辦法開發(fā)出適合月球軌道陣列使用的成像方法，只是需要進(jìn)一步的研究。
2015年，中科院和歐空局決定征集聯(lián)合空間科學(xué)項(xiàng)目。中方的國家空間科學(xué)中心、上海天文臺和國家天文臺均提出了超長波項(xiàng)目建議，后經(jīng)討論合并成一個(gè)項(xiàng)目，即Discovering Sky at the Longest wavelength（DSL）項(xiàng)目，歐方則有波蘭、荷蘭等國的科學(xué)家參加。空間中心的研究者們提出了讓所有衛(wèi)星飛行在同一軌道上排成線形列陣，并分成用于觀測的多顆子星和用于集中收集數(shù)據(jù)、與地球通訊的母星的方案，這有效地解決了星間通訊和定位問題[3]，進(jìn)而使得軌道陣列的方案更加可行。不過，當(dāng)時(shí)這一方案中由于用到了幾種尚不成熟的技術(shù)，因此在此次項(xiàng)目征集中最終未能入選。
2018年，我國開展了嫦娥-4號任務(wù)，首次在月球背面著陸并進(jìn)行了低頻射電觀測實(shí)驗(yàn)。由哈工大和空間中心聯(lián)合研制了2顆龍江號微衛(wèi)星，搭載在發(fā)射鵲橋中繼衛(wèi)星的火箭上，準(zhǔn)備對月球軌道超長波干涉陣列的概念進(jìn)行驗(yàn)證。但遺憾的是，由于龍江-1號星發(fā)生故障失聯(lián)，只有龍江-2號星進(jìn)入了月球軌道，未能完成空間干涉驗(yàn)證。另一方面，嫦娥-4號任務(wù)時(shí)的衛(wèi)星和著陸器都是用的之前研制的型號，甚至本來就是嫦娥-3的備份，研制時(shí)并未考慮超長波觀測的需求，都有較大的自身電磁干擾問題，這導(dǎo)致其數(shù)據(jù)都有很強(qiáng)的自身干擾，很難處理。這也說明，超長波觀測任務(wù)需要研制專門的航天器和載荷。
2018年，中科院啟動(dòng)了第二期空間先導(dǎo)專項(xiàng)背景型號項(xiàng)目研究，超長波天文列陣也納入其中，國家天文臺、空間中心和上海微小衛(wèi)星研究院開展了聯(lián)合研究，我和空間中心的閻敬業(yè)研究員分別擔(dān)任了課題組長和副組長。
圖4. 鴻蒙超長波陣列藝術(shù)想象圖
圖5. 模擬的還原天圖（上）和相對誤差（下）[5]
經(jīng)過3年的持續(xù)研究，我們現(xiàn)在已成功解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，形成了“鴻蒙”超長波天文陣列設(shè)計(jì)方案。我們可以完成自主控制的衛(wèi)星編隊(duì)飛行，并在嚴(yán)格限制重量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)月球-地球間的數(shù)據(jù)通訊，并精確地測量衛(wèi)星間的相對位置，保障了干涉陣列的實(shí)現(xiàn)。我們也研究了觀測數(shù)據(jù)的定標(biāo)校準(zhǔn)方法。特別是，我們通過實(shí)驗(yàn)找出了降低自身干擾、保證大部分?jǐn)?shù)據(jù)頻譜可用的解決方案。
對于Falcke教授指出的綜合成像方法問題，我們現(xiàn)在也已發(fā)展出了一整套算法，可以根據(jù)在月球軌道上收到的干涉數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地還原出超長波的天圖[4,5]。不僅如此，我們還用無人機(jī)攜帶天線和接收機(jī)進(jìn)行了試飛，對人工設(shè)置的信號源進(jìn)行了觀測，驗(yàn)證了軌道觀測的可行性?，F(xiàn)在，我們對這一方案具備了充足的信心。如果有機(jī)會飛上月球軌道，我們將真正打開超長波觀測的新窗口！
圖6. 研究人員在準(zhǔn)備進(jìn)行無人機(jī)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
當(dāng)我們揭開超長波天空的面紗時(shí)，會做出什么樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)？這有點(diǎn)像打開盲盒禮包，非常難以準(zhǔn)確預(yù)測——實(shí)際上我們可能根本沒辦法猜到。
就以射電天文本身為例，最初天文學(xué)家們對在無線電波段觀測天體根本沒有多少興趣，因?yàn)楦鶕?jù)恒星理論，其輻射能譜的峰值是在可見光波段（對某些星可以延伸到紫外和紅外波段），但沒有人預(yù)料無線電波段會有什么值得觀測的輻射。
銀河系強(qiáng)烈的低頻射電輻射讓天文學(xué)家們大吃一驚也頗難理解，又過了十多年人們才認(rèn)識到這些輻射來自宇宙線電子在銀河系磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的同步輻射，這是一種全新的現(xiàn)象。進(jìn)而，人們又在射電觀測中發(fā)現(xiàn)了類星體、脈沖星等。這種意外的發(fā)現(xiàn)，正是天文學(xué)研究所獨(dú)具的魅力。
不過雖然如此，我們還是可以試著列出幾條超長波觀測所能探索的方向，讓“盲盒”的結(jié)果有一個(gè)大概的范圍：
宇宙的黑暗時(shí)代，即宇宙大爆炸結(jié)束以后直至第一代發(fā)光天體開始形成的時(shí)期，這一時(shí)期因缺乏可觀測的天體而被稱為黑暗時(shí)代，而當(dāng)?shù)谝淮l(fā)光天體形成時(shí)，宇宙就迎來了“黎明”。對宇宙黑暗時(shí)代與黎明最直接的觀測手段就是其中廣泛分布的中性氫原子所產(chǎn)生的波長為21cm的譜線。
黑暗時(shí)代的21cm譜線經(jīng)過宇宙紅移后頻率降低到45MHz以下，宇宙黎明時(shí)代（紅移10-30）的21cm信號則對應(yīng)觀測頻率45-130MHz。由少量衛(wèi)星組成的小型陣列，其靈敏度不足以測量宇宙黑暗時(shí)代的原初漲落，但用其中一顆子星，就可以完成全天平均頻譜的精確測量。
2003年，筆者和Jordi Miralda-Escude 教授預(yù)測，在宇宙黎明時(shí)代可以出現(xiàn)較強(qiáng)的21cm吸收譜信號[6]。2018年，EDGES 實(shí)驗(yàn)組宣稱在80MHz左右（對應(yīng)紅移18）探測到了可能是宇宙黎明信號的強(qiáng)吸收譜[7]，不過這個(gè)吸收譜過于強(qiáng)烈，以至于需要某種非標(biāo)準(zhǔn)的模型（例如與重子有某種相互作用的暗物質(zhì)）才能解釋[8]（關(guān)于EDGES的發(fā)現(xiàn)，可參見筆者此前所寫的《出人意料的宇宙黎明之冷》）。但是這種實(shí)驗(yàn)也可能受到電離層的影響而不夠準(zhǔn)確[9]。
雖然宇宙黎明時(shí)期對應(yīng)的頻段為80MHz左右，其實(shí)驗(yàn)在地面也可以開展，但在月球軌道上開展這種測量，不受地球電離層強(qiáng)烈折射的影響，可以提升測量的精度。不僅可以檢驗(yàn)EDGES的結(jié)果是否正確，所獲得的更精確的測量結(jié)果也將更好地揭示宇宙黎明時(shí)代的演化歷史。我們可以在一顆子衛(wèi)星上配上一套精密的測量和校準(zhǔn)系統(tǒng)，完成這種測量。
宇宙黑暗時(shí)代對應(yīng)的更低的頻段（20MHz左右）也可能產(chǎn)生吸收譜特征。不過，頻率越低，銀河系產(chǎn)生的前景輻射越強(qiáng)，測量難度越大。鴻蒙陣列用于干涉成像的子星也可以同時(shí)進(jìn)行全天頻譜測量，雖然不一定能達(dá)到所需的精度，但也至少可以較好地測出前景輻射的頻譜，對黑暗時(shí)代進(jìn)行初步的探索。
圖7. 宇宙歷史（上）和對應(yīng)的21cm平均譜（下）
如果我們假定天空中超長波源的分布規(guī)律可以從更高頻率的射電源外推，那么鴻蒙陣列經(jīng)過幾年的觀測，將可以探測到幾百到幾千個(gè)射電源，這個(gè)數(shù)量與我們?nèi)庋鬯芸吹降暮阈菙?shù)量相當(dāng)。但在這個(gè)頻段，我們看到的天體大概并非光學(xué)頻段所見的恒星，而是很可能包括超新星遺跡等銀河內(nèi)源，以及一些距離我們比較近的射電星系、類星體等。
我們是否將發(fā)現(xiàn)一些新的天體類型？會不會有一些在其它波段平淡無奇的天體在超長波頻段卻極為明亮？或者某個(gè)天體展現(xiàn)出的奇怪的形態(tài)？這些都極有可能，但我們無法提前預(yù)測。
圖8. ULSA模型預(yù)測的10MHz（左），3MHz（中）和1MHz（右）天圖[10]。
除了發(fā)射源外，觀察超長波的吸收也可以帶來很多有價(jià)值的科學(xué)信息。由于銀河系同步輻射頻譜滿足冪律分布，我們往往可以根據(jù)著名的Haslam 408MHz天圖推測天空輻射的分布。但是，在10MHz以下的頻率，星際介質(zhì)中的等離子體對超長波的吸收非常強(qiáng)烈，這時(shí)這種簡單的外推就不再成立了。
我們根據(jù)現(xiàn)在已知的銀河系電子分布模型，考慮輻射轉(zhuǎn)移，構(gòu)造了推算任意頻率天圖的程序ULSA （Ultra-Long wavelength Sky with Absorption）[10]。本文開頭提到的Alexander先生正是在讀到我們這一論文后寫來了賀信。反之，將來有了觀測數(shù)據(jù)，我們也可以通過觀測不同頻率的吸收結(jié)果，構(gòu)建太陽系周圍星際介質(zhì)的三維分布圖。
人們已經(jīng)知道，太陽處在一個(gè)低密度的、大小約二、三百光年的所謂本氣泡（Local Bubble）中，它可能是過去上千萬年中持續(xù)發(fā)生在我們附近的多顆超新星爆發(fā)所遺留下來的。這些近鄰超新星的爆炸對于太陽系、對于地球是否產(chǎn)生了一定影響？有意思的是，這也恰好是人類進(jìn)化的時(shí)間尺度, 超新星的爆發(fā)與人的進(jìn)化是否存在聯(lián)系？這值得進(jìn)一步的思考和探索。超長波的探測將能夠勾勒出我們周圍的電子分布，從而使我們對太陽系的周邊環(huán)境獲得更好的理解。
圖9. 太陽系所處的本氣泡，圖片來源：wikipedia
此外，超長波的觀測還可以更好地揭示銀河系中宇宙線電子和磁場的分布。利用HII區(qū)的遮蔽，還可以更準(zhǔn)確地測出宇宙線的密度，從而使解開宇宙線的起源和傳播之謎等。
太陽經(jīng)常發(fā)射射電爆發(fā)，這些爆發(fā)對于地球周邊的空間天氣產(chǎn)生直接影響。此外，木星等行星也會爆發(fā)較強(qiáng)烈的超長波輻射。這些近處的超長波源有較高的強(qiáng)度，容易被小型陣列探測到。鴻蒙陣列有較高的方向分辨率，因此在對這些爆發(fā)的觀測中也可以發(fā)揮重要的作用，更好地揭示日地系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用。
近年來，國際上出現(xiàn)了重返月球的熱潮。美國、歐盟、俄羅斯和我國都在積極策劃新的月球科學(xué)計(jì)劃，而其中一個(gè)重要的組成部分就是對月球資源的利用。月球背面為射電天文提供了理想的環(huán)境，因此在各國的月球計(jì)劃中，都列入了月基天文學(xué)的內(nèi)容[11]。
鴻蒙陣列具有較強(qiáng)的可行性，非常適合作為月基超長波探測的第一步[12]。我們希望能抓住時(shí)機(jī)，邁出著超長波探測的第一步，在超長波天文這個(gè)新領(lǐng)域中做出中國的貢獻(xiàn)！
參考文獻(xiàn)：
