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「四号嫦娥姐姐」,你为什么非要带这款望远镜出门呢?
发布:haige__   时间:2018/12/8 23:53:03   阅读:933 
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今晨嫦娥四号成功发射,它所携带的诸多科学仪器里,有一个非常特别的天文望远镜叫做“极低频射电频谱仪”,它有什么用,为什么要发射到月球背面那么远的地方呢?看过本文就明白了。

电磁窗口

这个图大家应该见了很多次了,地球大气的电磁波窗口:
可以看到可见光有一个透过率很高的大窗口,红外有一些窗口;在射电波段,从毫米波往上透过率越来越高,在波长几厘米到十几米这个范围,大气几乎是完全透明的。

但到 10 米以上,大气层却又重新不透明了起来。简单说是因为地球高层大气有一个所谓电离层,里面有大量自由电子,它们会和试图穿透大气层的电磁波发生相互作用。当频率比较高的时候影响比较小,但频率降低到波长 10 米左右,电离层的折射率就已经显著偏离 1,我们就像在水底仰望星空(视频原链):
这样强烈的闪烁让天文观测变得非常困难。

而波长再继续提高到 30 米以上,电离层就完全不透明了。

为什么要看?

整个 20 世纪天文学不断发展的动力就是不断开发新的电磁波窗口,来发现新的天文现象与规律。从光学走向红外,走向射电,利用人造卫星开辟高能波段的 X 射电、伽马射线窗口,莫不如此。

其中射电天文从 1930 年代发轫,一开始从米波起步,逐渐往提高频率、降低波长的方向升级打怪,逐步攻克了厘米波、毫米波乃至亚毫米波的技术挑战,现在高频段已经打通,该返回头来挑战因为大气电离层屏蔽而一直没有得到观测的超长波波段了。

一旦这个超低频波段打开,一定也会像以前每次打开一个新窗口一样,带给我们很多惊喜。而其中我们已经可以期待的包括:

1、探测宇宙极早期历史。因为在宇宙极早期,也就是所谓极高红移的宇宙,用于进行宇宙学研究的重要“工具”21 厘米谱线红移到了极低频段。

2、研究太阳射电暴。太阳在射电波段的暴发分为若干种类型,大多涉及极低频的频段,而且这一频段与太阳带电粒子的产生和发射的过程密切相关。

另外很多天文学中关注的特殊天体,如超新星遗迹、类星体、带有磁层的行星等,也都会产生极低频射电辐射,开辟新的窗口对于研究各类型天体都会有帮助。

在哪观测?

电离层会挡掉 10 米以上的电磁波,但是挡的程度在各地也有所不同。在南半球中纬度地区有一个所谓的电离层槽,电离层的影响相对较少,早期地基的一些超长波观测就是由澳大利亚的一些观测站利用靠近电离层槽的地理位置优势实施的。
要进一步避开电离层的影响,人们就不得不考虑太空了。

10 米以上在天文上是所谓的超长波,但在一般人类社会看来,却属于“短波”、“高频”段,是民用无线电广播的主要频段。这就意味着除了电离层的干扰,人类发射信号的干扰也是需要回避的——天文学关注宇宙中极微弱的信号,人类制造的干扰信号可以轻易淹没一切。

所以我们希望能在太空中找到一个能远离或屏蔽地球干扰信号的地方。

很容易想到的,就是月球背面,或者月球极区的一些陨石坑里。月球地面可以提供理想的射电信号屏蔽。
 
再有就是地月系统、日地系统各自的几个拉格朗日点:在这几个地方,卫星可以较长时间维持较低的轨道速度,可以近似看做相对地球静止不动,从而可以实现对目标天体较长时间的持续曝光,因此也是经常被用于放置天文卫星的地方。
但是很明显这里面有个矛盾:在月球背面,人类干扰信号是没有了,但是要跟那里的观测站联系的话,信号也难以沟通;而在拉格朗日点,虽然沟通没有障碍,但干扰信号还是多少会有。

而嫦娥四号作为第一个登陆月球背面的探测器,有“鹊桥”中继星作为通讯保障,既解决了干扰信号屏蔽问题,又解决了通讯控制的问题,所以它占据了利用月球背面进行极低频观测的绝佳条件。

鹊桥 x 嫦娥?

在此前已经发射的鹊桥中继星上,已经携带了一台“荷兰 - 中国低频探测器”(NCLE),而这次嫦娥四号着陆器也携带了一台极低频射电频谱仪,这两台设备之间,是否可以产生某种互动?

这不仅是可能的,还是必要的。

因为虽然没有了来自地球的干扰信号,但中继星和着陆器自身也会产生一些干扰信号,怎样排除干扰是一个需要解决的问题。我在《在知乎盐 Club,我是这样“重新定义”FAST 望远镜的》一文中介绍了利用干涉原理排除干扰的基本概念,鹊桥和嫦娥四号之间,也可以利用这一原理进一步排除干扰。

而且在十米级的波长上,单一的小型天线是无法对天空进行任何成像的——要知道 500 米的庞然大物 FAST 望远镜,对 21 厘米波长的分辨率都远远不如我们的肉眼,更何况一个小小的卫星或着陆器上携带的小天线。所以从对天体成像的刚需来看,鹊桥和嫦娥四号也必须联合观测,才能对宇宙给出有意义的成图观测结果。

当然,鹊桥和嫦娥四号只是打开了以月球背面为基地进行超长波射电天文观测的大门而已,要想取得与其他天文观测窗口匹敌的精细图像与丰硕科学成果,还需要期待未来出现更多更具雄心的计划。

参考资料

极低频射电天文观测现状与未来发展

在月球背面进行低频射电天文观测的关键技术研究

Space-based Aperture Array For Ultra-Long Wavelength Radio Astronomy

Space-based Ultra-long wavelength Radio Observatory

Ionospheric effects in Radio Astronomy

来源:知乎日报
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