超長波天空的神秘面紗︰探索黑暗時代和宇宙黎明-SAKAI BBS 社區
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超長波天空的神秘面紗︰探索黑暗時代和宇宙黎明

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    發表於 2018-7-16 05:05:23 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
    剋日,美國 EDGES 嘗試團隊在《自然》雜志上頒發論文,宣稱探測到了宇宙拂曉發生的21 cm 吸收譜信號。雖然這一觀察成果還有待進一步證實,但也引發了全天下天文學家們的普遍愛好。恰在此時,中國科學院“空間科學”先導專項也于2018年3月1日啟動了超長波天文觀察陣列佈景型號項目研討,有望初次揭開超長波天空的奧秘面紗,並摸索黑暗時代和宇宙拂曉。

    宇宙黑暗時代是在大爆炸竣事(宇宙年齡38萬年)到第一代恆星構成之前的期間,這一期間的宇宙中還沒有恆星、星系等發光天體,甚至明天宇宙中的很多重元素如碳、氧、鐵等也都還不存在,只要氫原子和氦原子彌漫在空間中。爾後在萬有引力的感化下,經過幾萬萬年到幾億年的演變,才起頭構成第一代恆星和星系,發出第一縷曙光,宇宙迎來了拂曉。爾後構成越來越多的恆星、星系和類星體,它們的輻射終極將宇宙氣體電離(宇宙再電離),演變為本日的宇宙。關于宇宙的這一段演變,探測很是困難,我們今朝還所知少少,《科學》雜志將此列為全天下最前沿的125個科學題目之一。

    超長波天空的神秘面紗︰探索黑暗時代和宇宙黎明

    宇宙歷史

    黑暗時代和宇宙拂曉的首要可觀察信號是宇宙中大量分布的氫原子所發射或吸收的波長為21厘米的電磁輻射(簡稱為21 cm 輻射)。隨著宇宙收縮,這些輻射的波長也隨之紅移變長。經過對各個分歧波長的21 cm 輻射停止丈量,便可以獲得分歧間隔上氫原子分布,從而繪制出宇宙的三維圖像。

    不外,和銀河系等離我們較近的天體發生的輻射相比,這些悠遠宇宙的21 cm 信號很是微小,探測有相當的難度。盡管如此,由于其龐大的科學代價,今朝國際上已有很多嘗試計劃嘗試對其停止探測,如荷蘭等歐洲國家研制的 LOFAR 千里鏡,澳大利亞的 MWA 千里鏡,美國的 LWA 千里鏡,以及美國和南非正在結合研制的 HERA 千里鏡。

    超長波天空的神秘面紗︰探索黑暗時代和宇宙黎明

    幾個探測宇宙再電離21cm信號的陣列︰21CMA(中國),LOFAR(荷蘭),LWA(美國),MWA(澳大利亞)

    我國也研制了21CMA陣列對其停止探測,口徑500米的天下最大單天線千里鏡€€€€“中國天眼” FAST 也計劃停止探測嘗試。此外,由包括中國在內的多個國家結合研制的天下最大射電千里鏡陣列平方千米陣(SKA)也把宇宙再電離的成像觀察作為其最重要的科學方針。

    以上這些嘗試首要在空中停止,用于探測宇宙的“早晨”€€€€宇宙再電離。可是,宇宙的“黑暗時代”和“拂曉時代”間隔我們更悠遠,紅移更高,本來的21 cm 輻射已經釀成波長很長的電波了,故此將其稱為超長波。

    由于地球大氣電離層對超長波有激烈的折射和吸收感化,且這一頻段地球上也有大量野生和自然發生的電磁輻射,經電離層反射後在大範圍內傳佈,是以在空中上很是難以觀察,今朝頻次30 MHz 以下波段缺少高質量的天文觀察,其中10 MHz 以下幾近還是空缺,30 MHz - 120 MHz 的觀察精度也遭到一定影響。

    要停止這一頻段觀察,最好是在太空停止。不外,即使在太空,地球也會對四周的空間發生龐大影響。榮幸的是,地球的自然衛星€€€€月球可以幫助遮擋來自地球的干擾電波,是以正如全國政協委員、中國科學院國家空間科學中心吳季研討員所說的,“最好的法子就是到月球後背,在很是恬靜的電磁情況中去傾听。”

    多年來,我國科學家一向關注著這一前沿範疇。2003年,時在美國的陳學雷博士和 Jordi Miralda-Escude 教授初次預言了 EDGES 嘗試所尋覓的宇宙拂曉信號--21 cm 的強吸收譜。2005年,提出了用繞月衛星停止低頻射電觀察宇宙黑暗時代的設想。2007年,國家天文台展開了空間甚低頻射電天文觀察的關鍵技術研討。2014年,中歐結合團隊提出了 DSL 計劃,對超長波天文觀察陣列計劃展開了系統研討。在行將停止的嫦娥4號使命中,也將搭載低頻射電實驗項目,對超長波陣列部分關鍵技術停止考證。

    2018年,中國科學院空間科學先導專項(二期)瞄準嚴重根本科學前沿,遴選出了能夠實現嚴重衝破的偏向,宇宙黑暗時代探測即是其中之一,超長波天文觀察陣列項目應運而生,將圍繞初次獲得超長波段高分辨率天空圖像、緊密丈量全天射電頻譜,摸索宇宙黑暗時代和拂曉、發現和研討低頻射電源、研討銀河系星際介質、太陽和系內行星射電活動等科學方針展開研討。

    由于超長波的電波波長為幾米到幾百米,而衛星上可以安裝的接收天線尺寸有限,偏向性欠好,單靠一個天線難以切確丈量超長波的輻射偏向。這有點類似人的耳朵而不是眼楮(人耳听到的聲波一般波長為幾十到幾百厘米,而耳朵外廓只要幾厘米),單憑一只耳朵難以分辨傳來聲音的偏向。不外,憑仗兩只耳朵,我們已可大致分辨聲音的偏向。一樣,倘使有多個天線接收信號,可以按照分歧天線信號的“干與丈量”獲得它們收到信號的時候差,進而切確分辨分歧偏向傳來的電波強度。

    超長波天文觀察陣列計劃由多少顆環抱月球編隊飛翔的衛星組成,包括一顆主星和多少子星,每顆子星上裝有接收機,將收到的信號發給主星。主星一方面負責丈量出每顆子星的相對位置,一方面臨收到的數據停止處置,並將成果保存在星上。當各星都處在月球後背、地球的干擾被遮蔽時開機停止觀察,而當繞到月球正面時則將保存的數據傳回地球。

    超長波天空的神秘面紗︰探索黑暗時代和宇宙黎明

    超長波天文陣列由多少環抱月球編隊飛翔的衛星組成

    按照這些數據,可以繪制出超長波波段天空的天圖,從而初次揭開這一頻段的奧秘面紗。同時,也可以停止高精度的全天均勻頻譜丈量,探測宇宙黑暗時代和宇宙拂曉的信號。

    雖然國際上已有很多天文衛星,但天文空間觀察陣列尚屬初次,有很多關鍵技術亟待處理。在佈景型號研討時代,項目組將展開科學方針凝煉、整體計劃設想、關鍵技術攻關、道理樣機研制以及地口實驗考證等工作,為未來的工程立項做好充實預備。這將使我國在超長波射電研討範疇跨出具有劃時代意義的天下第一步,有望成為由中國引領的嚴重國際科學計劃,獲得衝破性的嚴重科學發現,為我們發表波濤壯闊的宇宙演變背後最根基的物理紀律。

    該項目團隊成員首要來自中科院國家天文台、國家空間科學中心等單元,項目負責報酬國家天文台陳學雷研討員。

     

                                                      
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