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探索宇宙鸿蒙初开,拓展人类认知边界

月球轨道超长波天文观测阵列是空间科学的一个特殊背景项目。其内部以“鸿蒙计划”命名。这项研究是由中国科学院国家天文台、中国科学院国家空间科学中心、上海微卫星创新研究所和几个国内外研究小组开展的。

目标是基于中国提出的创新卫星编队概念,开启电磁波谱的最后一个超长波观测窗口,探索宇宙处于婴儿期的黑暗时代,为人类认知边界的拓展贡献中国的力量。

自古以来,广阔的星空激起了人们无限的好奇心和思考。然而,这些是我们在宇宙中看到的一切吗?事实上,可见光只是电磁波谱的一小部分,还有红外线、紫外线、x射线、伽马射线、无线电等。多波段观测可以显示不同的画面。

图1:不同波段的星系

当人类用新的波段观察天空时,他们会获得许多新的发现,如中子星、黑洞、宇宙微波背景辐射等。然而,到目前为止,电磁波谱中仍有一个空白——频率低于30mhz的超长波。由于地球电离层的吸收和折射,加上大量的人工电磁辐射干扰,很难在地面甚至近地空间观测到超长波。天空是什么样的?

月球能有效屏蔽地球的电磁干扰,为超长波天文观测提供最佳环境。超长波天文观测阵列计划在月球轨道上进行超长波观测。卫星组件作为一个整体发射,进入绕月轨道后,子卫星按顺序释放,形成线性编队。观测在轨道后面的地面上进行,观测数据从主星传输到地面。

图2:超长波天文观测阵列示意图

来自各个方向的无线电信号在不同的时间到达不同的子恒星。利用干涉测量法,八颗低频子星获得1-30 MHz频段的高分辨率天空图和光谱,一颗高频子星获得30-120 MHz频段的高精度全天平均辐射光谱,为超长波观测打开了新的窗口。

图3:用于低频检测的低频子星

在超长波段探索宇宙的黑暗时代和黎明是一个核心科学目标。我们的宇宙起源于大约138亿年前的大爆炸。从那以后,宇宙进入了黑暗时代。经过大约一亿年的进化,它已经形成了第一代恒星。从那时起,越来越多的恒星和星系已经形成并进入现代宇宙。尽管大爆炸理论已经被证实,我们对宇宙的黑暗时代和黎明知之甚少。宇宙黑暗时代没有星星。只有中性氢气能产生波长为21厘米的辐射。今天,这些辐射已经转移到超长波段。精确的超长波观测将揭示宇宙进化中的这一神秘时期。

图4:宇宙进化的历史

超长波是电磁波谱的最后一个空白。它的高精度辐射光谱和高分辨率天图可以在宇宙学、银河外射电星系、银河星际介质、宇宙射线、太阳和行星物理学等领域提供不可替代的宝贵信息。在这个新窗户里我们还能找到什么?这是一个很难准确预测的“未知未知未知”。超长波观测将揭开宇宙起源的神秘面纱,并成为射电天文学和空间探索的里程碑。(鸿蒙计划项目组)

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