可充气月球望远镜可以窥视进宇宙的黑暗时代

By Tereza Pultarova

2023/6/17

 “这就像在月球上的一个可充气的床垫一样”。

荷兰天文学家马克柯雷恩沃尔特今年早些时候在伦敦举行的月球天文学会议上提出了这一概念。 (Image credit: ESA/Royal Society)

欧洲科学家正在开发一种可充气射电望远镜概念，可以在月球上做开创性的科学研究。

这个基于一个被欧洲航天局（ESA）工程师最近的可行性研究的想法，提出一个印在超轻型太空毯材料卡普顿（kapton）上将折叠在计划中的也叫航天古舟（Argonaut）的欧洲大型物流着陆器内旅行到月球的射电天线阵列。

领导欧洲航天局天体物理月球天文台科学团队的荷兰奈梅亨拉德伯德大学的射电天文学家马克柯雷恩沃尔特今年早些时候在伦敦举行的月球天文学会议上说，“你折叠起这个系统，然后你将气体推入它你充气它。就像在月球上的一个充气床垫一样”。

天文学家有兴趣在月球背面建造一个射电望远镜，因为该区域没有被地球上技术产生的无线电噪声。与地球不同，月球没有会吸收无线电波的大气层，这使它成为他们探测的方便场所。除此之外，在为期两周的月夜，月球背面也被保护免受来自太阳的射电咔哒声。柯雷恩沃尔特说，所有这些因素结合使月球成为“太阳系中无线电最安静的地方”。

因此一个放置在该区域的望远镜将能够来探测不能被从地球表面研究的信号。其中一些信号是相当珍贵的，因为它们可以允许天文天文学家窥视进在第一批恒星和星系开始来形成之前头几亿年宇宙的生命。

月球望远镜将寻找的信号类型是天文学家叫由原子氢产生的21厘米发射线，该发射线在大爆炸后的头数亿年中渗透了宇宙。氢原子发射的辐射最初在电磁波谱的微波范围内，但因为天文学家将在宇宙最远的地方寻找它，他们将寻找难来观测的长无线电波。这是因为被宇宙加速膨胀造成的红移效应在它们到达我们之前已经拉伸了它们。

柯雷恩沃尔特说，“要寻找这种类型的辐射，你需要去月球的背面，以便你阻挡我们自己产生的辐射，而且你没有大气层，然后你能映射氢并追踪它，因为它形成在宇宙中的第一个结构。你能观察不同的红移，并在某些时间中的时刻制作宇宙的映射，并看到整个事情演变”。

天文学家将宇宙历史上的这个神秘时期叫黑暗时代和宇宙黎明。甚至著名的詹姆斯韦伯太空望远镜已经证明了它在观察最古老的星系的能力不能看到回去那么远。

因此，一个月球背面的望远镜被列入世界航天机构目前正在考虑的天文学潜在下一件大事的清单上。但这样一个项目摆出许多挑战。首先，目前还不存在将使人类来有效地将数十或数百个无线电天线运送到月球的技术。

因此，欧空局的可行性研究分析了目前预计将在2030年左右首次登月的航天古舟月球着陆器怎样能被用于部署这样的阵列。

航天古舟的承载能力为1.5公吨（1.67吨），被设计适应进欧洲的延迟的重型火箭阿丽亚娜6号整流罩，该火箭可能在今年晚些时候首次飞行。研究发现了航天古舟可以一次轻松的向月球交付16个标准的无线电天线阵列，但柯雷恩沃尔特说这不足以提供来足够详细研究黑暗时代所需的灵敏度和分辨率。因此，试图来开发一种可充气阵列，该阵列可以以一个更低的质量包含更多的天线。

柯雷恩沃尔特说，“我们可以考虑将让电子装置也打印在[天线]的另一侧，我们甚至能考虑让大型太阳能电池板打印在大开放空间之间，因此然后我们有一个部署，它变得相当大。我们有32×32个元件，可能甚至更大，我们用着陆器作为中心单元，因此一切都被连接到着陆器”。

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欧洲团队目前正工作在可以被直接在月球上测试天线原型上，来帮助科学家了解尘埃的月球环境如何影响它们的性能。

柯雷恩沃尔特说，“我们有多种选择来构建原型并对测试它们，这就是我们今天正工作在上的。它不必在被在背面[测试]，这可能是一个正面使命，就像阿波罗使命一样。我们能探索很多选择”。

对月球表面天文观测 有其他更温和的近期计划，例如，中国科学家设想一个围绕月球赤道运行的小型卫星星座，在月球背面做出无线电测量并从面向地球的一侧向地球发送数据。他们说他们可能能够在2026年启动这项使命。美国宇航局领导的月球表面电磁学实验之夜（LuSEE-Night）探路者使命甚至会更早一点可能在2025年从月球表面做出黑暗时代信号首次粗略测量。