计划于2025年发射的在月球上安装射电望远镜的任务

月亮未来几年将成为全球太空计划的热门目的地。

到2025年,美国宇航局的阿尔忒弥斯三世任务将自五十多年前阿波罗时代结束以来首次将第一批宇航员(“第一位女性和第一位有色人种”)降落在月球表面。

他们将由多个空间机构加入,根据阿尔忒弥斯协议,这将把欧洲、加拿大、日本和其他国籍的宇航员送到月球表面。紧随其后的是taikonauts(中国),宇航员(俄罗斯)和vyomanauts(印度),他们将进行同样有利可图的研究和探索。

在月球轨道上拥有设施,如阿尔忒弥斯大本营,国际月球研究站等,将使在地球或地球轨道上不可能进行的各种科学研究成为可能。

这包括射电天文学,它将在月球背面不受地面干扰,并且足够灵敏,可以探测以前未探索的宇宙学时期的光。这就是名为月球表面电磁学实验-夜晚(LuSEE-Night)明年将前往月球,并在接下来的18个月里聆听宇宙!

长期以来,天文学家一直无法研究宇宙演化中最早的时期之一,即”黑暗时代“的宇宙。这相当于大约在 380,000 年后开始的时期大爆炸,宇宙充满了中性氢,第一批恒星和星系从中开始形成。
随着时间的推移,第一批恒星(第三星族)形成星系,它们的辐射逐渐电离中性氢,导致被称为宇宙黎明(或再电离时代)大约在大爆炸后十亿年。

这导致宇宙对光变得透明,因此,我们今天的仪器可以看到。但是,看到第一批恒星和星系是如何在黑暗时代形成的,天文学家一直热衷于研究这一时期,以便他们能够从一开始就追踪宇宙结构的演化。

不幸的是,在此期间唯一的光源是大爆炸留下的遗物辐射,今天可见为宇宙微波背景(CMB),以及作为第一个中性氢原子形成并沉降到稳定状态(又名复合和解耦)的光子释放。

这种光今天只可见为谱线由中性氢的能量状态变化产生,也称为21厘米线或“氢线”。

这条线无法从地球上测量,因为大气层在地面仪器探测到这些无线电信号之前就吸收、折射和反射了它们。此外,任何在空间(和时间)中传播这么远的无线电信号都会被我们的地面来源——电子设备、广播塔、通信卫星等——造成的无线电干扰所淹没。

然而,月球有一个决定性的优势,因为它充当盾牌,阻挡来自地球的无线电波。但在月球背面,条件是“无线电安静”,没有来自地面来源的干扰,这将使敏感的无线电天线能够探测到这个古老时代的辐射。

最后但并非最不重要的一点是,无线电天线将能够在月球夜晚(持续两周)收集数据,此时来自太阳的无线电波也不会造成干扰。

预计未来几年将有几次登月任务,已经提出了建造月球无线电天文台的多项建议。

正如伯克利实验室研究天线的博士后研究员Kaja Rotermund在最近的伯克利实验室中所说。新闻稿:

“如果你在月球的远端,你有一个原始的、无线电安静的环境,你可以尝试从黑暗时代探测到这个信号。LuSEE-Night是一项任务,显示我们是否可以从我们从未去过的位置以及我们从未能够观察到的频率范围内进行此类观测。

LuSEE-Night项目是美国宇航局和能源部(DoE)之间的合作,合作伙伴来自劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室),布鲁克海文国家实验室,加州大学伯克利分校和明尼苏达大学。

伯克利实验室团队目前正在建造实验的天线,该天线将监听黑暗时代发出的无线电波。该实验计划于2025年向月球发射,届时它将在月球环境中测试技术。

虽然月球射电天文台将比地球设施具有许多优势,但由于极端条件,它们也将面临重大挑战。其中包括月球南极地区昼夜之间的极端温度,连续持续两周。

在月球白天,温度可以高达120°C(250°F),然后在夜间降至-173°C(-280°F)的低点。由于月球背面永远不会面向地球,因此不可能直接通信,这意味着所有数据都必须通过中继卫星发送。伯克利实验室天线项目负责人Aritoki Suzuki说:

“仅在月球背面着陆科学仪器的工程是一项巨大的成就。如果我们能够证明这是可能的 - 我们可以到达那里,部署并在夜晚生存 - 这可以为社区和未来的实验开辟领域。

为了收集来自古代宇宙的无线电波,LuSEE-Night将依靠两对天线,从尖端到尖端测量六米(~20英尺)。天线设计为盘绕起来,以安装在所有侧面仅一米(3.3英尺)的有效载荷整流罩内。

一旦它到达月球表面,LuSEE-Night将使用弹簧加载的“固定器”将其展开到位。为了准备运输系统,伯克利实验室团队从模拟和模型开始,然后开发了实验的1/100比例模型,并在实验室一栋建筑物的屋顶上进行了测试。

伯克利实验室团队还在建造一个转盘,该转盘将定期旋转天线,以校正来自其他行星,星系的无线电噪声,甚至是实验下方月球风化层引起的变化。

该团队今年夏天完成了技术审查,现在正在与加州大学伯克利分校空间科学实验室建造将前往月球的飞行模型。他们希望在 2024 年 1 月之前完成天线子系统,并与其其他组件集成。

完成的实验将于2025年启动萤火虫航空航天作为美国宇航局的一部分商业月球有效载荷服务(华钦科技)计划。

本文最初发表于今日宇宙.阅读原文.

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