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直击宇宙黑暗时代现场——中荷科学合作翻开射电天文学新篇章

(荷兰在线特约专栏 文/宋辛)5月21日,中国在西昌卫星发射中心成功将探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”号中继星发射升空,这也是全球首颗环绕地月拉格朗日L2点运行的人造卫星。

嫦娥奔月是中国古代美好的传说,探索月球也是几辈中国航天人的梦想。“鹊桥”号卫星发射成功,在国内外引发不少热议。有外媒评价称,嫦娥四号将在月球背面实施软着陆,这会成为人类历史上首次在月球背面着陆。毕竟月球背面远离地球,相对来说还不为所知。

科学无国界,不为很多人所知的是,此次成功发射的“鹊桥”号也承载着荷兰、瑞典、沙特和德国四国科学家的智慧和期许。为了让全人类都能充分利用月球背面L2 点的优势位置, “鹊桥”这次还搭载了来自这四个国家的不少精密探测仪器,使世界各地的科学家都能发挥所长,开展有益于全人类的在轨科学探测试验。

而在这些仪器中,尤以荷兰与中国合作研发、荷兰制造的无线电波接收器(低频射电探测仪,NCLE)引来全世界最多关注。

荷兰制造的这个无线电波接收器是何方神圣?中荷航天合作现状和前景如何?本文将带你一探究竟。

▲ 卫星将围绕着月球背后的定点旋转。图片来源:荷兰拉德堡德大学网站截图

中荷合作翻开射电天文学的新篇章

荷兰是射电天文学领域的强国。射电天文学是天文学的一个分支,通过电磁波频谱以无线电频率研究天体。简单一点说,射电天文学就是以无线电接收技术为观测手段,观测的对象遍及所有天体:从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象,直到极其遥远的银河系以外的目标。

由闻名全球的荷兰射电天文研究所(ASTRON)牵头建立的低频阵列天线(LOFAR)是一个超大型的天文望远镜网络,借由布置在不同地点的天线收集来自遥远太空的低频无线电信号,再通过网络连接将所有数据汇总到同一台超级计算机上。

目前,LOFAR天线已遍布西欧,研究者们将目光投向了欧洲甚至地球之外。早在2011年,荷兰拉德堡德大学天体物理学系的德国籍教授海诺‧法尔克(Heino Falcke)就提出了在月球背面建立无线电望远镜的设想。他一开始的目标合作对象是美国航空航天局或欧洲航天局,但最终实现他的梦想的地方,是近年来在探索太空领域发展迅猛的中国。

2015年荷兰政府对中国的一次贸易访问,为两国的航天合作提供了契机。中荷两国同意在太空任务上进行合作,共同签署了相关备忘录。次年,荷兰航天局与中国国家航天局又签署了荷兰-中国低频探测器(NCLE)项目。

该项目的中方团队由中科院国家天文台领衔。而荷兰方面,除了上文所提及的荷兰射电天文研究所和拉德堡德大学射电天文学实验室之外,还有一家年轻的荷兰公司参与了此次合作。这家名为“太空创新解决方案”(Innovative Solutions In Space)的公司由荷兰代尔夫特理工大学的六名学生于2006年创立,专门从事与微小卫星相关的业务,如今已成为该领域的翘楚。

▲ 荷兰中国低频射电探测仪的无线电天线。图片来源:太空创新解决方案公司网站

首次合作的中荷联合项目组克服重重困难,仅用了一年半的时间就制造出了这台目前正搭乘“鹊桥”飞往月球背面的无线电接收机。预计在明年3月左右,该项目的三根两米长的碳纤维天线将会被释放并安置成相互垂直的角度,届时射电天文学有望迈入一个崭新的发展阶段。

月球背面为何是风水宝地?

地月引力使月球的自转周期与其围绕地球公转的周期一样长,导致月球始终保持以同一面朝向地球,这种现象被称为潮汐锁定,也叫同步自转。换言之,身在地球上的我们看到的永远都是月亮的同一面。

这样一来,由于通讯线路始终受到月球自身的阻隔,从月球背面无法与地球保持不间断的实时沟通,因此需要中继星的辅助——帮忙搭一座桥,这就是为什么这次发射的卫星被取名为“鹊桥”的原因。

▲ 地球潮汐锁定。截图源自网络

凡事皆有利弊。地球接收不到月球背面的信号,月球背面也同样得以免于来自地球的电磁波干扰,形成一个天然的不受地球电磁波污染的独特环境,极其有利于科学仪器观测和捕获来自遥远太空的低频电磁波。

▲ “鹊桥”是首颗地月中继通信卫星。截图源自网络

根据大爆炸宇宙论,宇宙起源于137亿多年前的一次大爆炸。之后有一段从几十万年到几亿年的时间,整个宇宙几乎一片黑暗,被称为宇宙的“黑暗时代”。

那时的宇宙中充满了中性氢。中性氢含电子和质子,而现在自然界中的氢一般为电离态,不含电子。中性氢会发出一种波长为21厘米、频率为1.4GHz的电磁波,电离后的氢则不会。因此,21厘米辐射可以说是黑暗时代的标志性信号。

一直以来,天文学家们正是通过捕捉这种标志性的电磁波信号来探索黑暗时代的宇宙,以及它所连接的宇宙大爆炸和第一代恒星的诞生。

遗憾的是,经过137亿多年的红移(指电磁辐射发生波长增加、频率降低的现象),它的频率降到了30MHz以下。由于大气电离层的阻挡,如此低频的无线电信号在地球上几难捕捉。正因如此,月球背面是块不折不扣的风水宝地。

中荷在科学领域的合作前景远大

▲ 中荷展开合作。图片来源:荷兰驻华大使馆

近年来,中国政府大力推进与国际科研组织进行跨国战略合作。荷兰—中国NCLE项目意义之重大,不仅在于它推进了人类的科学探索,还在于它标志着中荷两国在科学领域的合作拓展至宇宙科学领域。

其实,两国的科学合作早已有了坚实的基础。譬如,根据中国国家自然科学基金委员会(NSFC)与荷兰科学研究组织(NWO)的双边合作协议,中荷两国已在生命科学、生物医药、超分子化学、新材料、环境科学、可持续发展、城市规划等诸多领域有了多年广泛的合作。

自从2010年以来,每年中荷两国都会根据这个双边合作协议,确立当年重点关注的领域,共同资助一批中荷合作研究项目,以促进两国科学家之间的合作与交流。不少科研人员都会得到中国国家自然科学基金委员会或荷兰科学研究组织的支持,也能够在这些平台上找到潜在的合作伙伴。相信不久的未来,两国能通过不懈努力,搭起更多科学合作的鹊桥。

(本文部分参考资料来源于人民网、荷兰宇航局官网、央视网、中国国家自然科学基金委员会官网)

 

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