1月3日，嫦娥四號(hào)探測器在月球背面成功著陸。著陸器拍回了照片，玉兔二號(hào)月球車也下地撒歡，留下了一串腳印。安好家以后，它們就要開始工作，開展各項(xiàng)科學(xué)探測了。

其中，著陸器上低頻射電探測儀的三根5米天線已展開到位。

“月球背面的電磁環(huán)境非常干凈，在那里開展低頻射電探測是全世界天文學(xué)家夢寐以求的事情，將填補(bǔ)低頻射電觀測的空白。”國家空間科學(xué)中心副主任、月球與深空探測總體部主任鄒永廖說。

尋找“干凈”的觀測環(huán)境 月球背面成絕佳地點(diǎn)

“電磁波譜的任何一個(gè)波段背后，都有天體的物理現(xiàn)象和機(jī)理。”中科院國家天文臺(tái)研究員、嫦娥四號(hào)月球低頻射電探測儀中方首席專家平勁松告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“只要能感知到，就可以尋找它們的規(guī)律。”

1930年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室工程師卡爾·央斯基在短波高頻波段偶然收到來自地球之外的天體輻射，開啟了射電天文的大門。自此，電磁波成為了天文學(xué)家觀測天體輻射的核心手段之一。

之所以迄今為止人類仍然使用短波和中波進(jìn)行通信，歸功于地球空間存在的比較濃密的電離層，能反射這些波段的人造電磁波，使得電磁波無法逃出地球范圍。但與此同時(shí)，來自地球以外低于10兆赫茲的電磁輻射，也無法透過地球電離層到達(dá)地面。可以說，這個(gè)波段的天文觀測窗口被地球電離層“屏蔽”了。因而地面射電天文觀測都是在更高的頻段開展。

既然在地球上無法開展低頻射電探測，天文學(xué)家決定在太空尋找解決途徑。上世紀(jì)90年代，來自中國、荷蘭等國的射電天文學(xué)家開始進(jìn)行相關(guān)論證。然而，他們遇到了新的問題。

“地球附近的人造天體太多了。”平勁松表示，這些衛(wèi)星以及各類航天器，都在發(fā)射人造電磁波，大量存在的人工信號(hào)會(huì)對(duì)觀測形成干擾。“離地球越遠(yuǎn)越好。”他說，但即使把觀測設(shè)備架設(shè)到月球上，如果面向地球，仍然避不開地球衛(wèi)星低頻無線電輻射的噪聲。

要突破地球電離層的屏蔽、躲開衛(wèi)星的信號(hào)，還要遮擋來自太陽的輻射，經(jīng)過種種約束的篩選，月球背面成為了滿足條件、技術(shù)可及的最佳選擇。

從阿波羅時(shí)代開始，科學(xué)家就設(shè)想把低頻射電設(shè)備放到月球背面去探測，美國、日本等國都提出過建議，歐空局甚至制定過詳細(xì)的計(jì)劃，但最終均未實(shí)現(xiàn)。原因很簡單，各國都沒有在月球背面著陸的探測器，怎么把設(shè)備放上去?

因此，甚低頻頻段一直是射電天文領(lǐng)域從未被開墾過的處女地。直到嫦娥四號(hào)任務(wù)實(shí)施，為此項(xiàng)研究提供了絕佳的起步機(jī)會(huì)。

消除噪聲干擾 “卡拉OK技術(shù)”來幫忙

嫦娥四號(hào)任務(wù)中的低頻射電探測計(jì)劃，由中國和荷蘭共同開展。科技日?qǐng)?bào)記者了解到，荷蘭在射電天文領(lǐng)域，尤其是低頻觀測上，堪稱國際上技術(shù)最先進(jìn)的國家之一。

2015年10月，荷蘭航天局局長訪問中國國家航天局，雙方敲定了探索與和平利用外層空間諒解備忘錄。在此框架下，低頻射電合作項(xiàng)目被兩國納入嫦娥四號(hào)工程。中科院國家天文臺(tái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與荷

方月球低頻射電載荷工作事宜。

合作項(xiàng)目中，雙方研制了兩臺(tái)低頻射電探測儀。平勁松介紹說，兩臺(tái)載荷的概念設(shè)計(jì)由中方提出，中荷各研制一臺(tái)，主要功能基本相當(dāng)，中方載荷搭載于嫦娥四號(hào)著陸器，荷方載荷搭載在2018年5月發(fā)射的鵲橋號(hào)中繼衛(wèi)星上。在工作模式上，中國載荷通過太陽能供電，當(dāng)嫦娥四號(hào)著陸區(qū)是白天時(shí)開展工作;入夜后，中繼星上的荷方載荷進(jìn)行工作。在探測目標(biāo)上，荷方載荷可以探測地球兩極的射電爆發(fā)，中方載荷可以屏蔽地球與太陽的影響，探測更遠(yuǎn)的目標(biāo)。

不過該項(xiàng)目也面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)，噪聲仍是其中之一。雖然月球背面非常“清凈”，嫦娥四號(hào)本身帶來的干擾卻不容忽視。平勁松說，鵲橋中繼星是全新研制的衛(wèi)星，在研發(fā)時(shí)就對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)噪聲采取了抑制措施，對(duì)載荷也有降噪處理。相比之下，作為嫦娥三號(hào)備份的嫦娥四號(hào)，畢竟是以探月為主業(yè)，并沒有做相關(guān)處理。

對(duì)此，載荷研制團(tuán)隊(duì)想出了其他辦法。

許多音樂發(fā)燒友都知道，在原聲音樂大碟里，不同音色都有各自的音軌，通過技術(shù)手段可以對(duì)音軌進(jìn)行編輯。比如，把一首歌里的人聲去掉，就能把它作為卡拉OK的伴奏。

科研人員借助類似原理，除了在嫦娥四號(hào)低頻射電探測儀上安裝了三根長天線，還裝有一根短天線。電磁波輻射有近場、遠(yuǎn)場之分。來自嫦娥四號(hào)的近場信號(hào)，長短天線都能接收，而宇宙天體傳來的遠(yuǎn)場信號(hào)，長天線可以清晰地收到，短天線卻有些“聽不清”。憑借長短天線接收信號(hào)的差別，科研人員就能把遠(yuǎn)場信號(hào)和近場信號(hào)區(qū)分開來，再做“減法”。平勁松說：“雖然嫦娥四號(hào)會(huì)帶來干擾，但我們可以把這些干擾剔除掉，只留下想要的東西。”

探路低頻射電觀測 每項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都可能填補(bǔ)空白

平勁松介紹，作為低頻射電觀測的“探路者”，嫦娥四號(hào)工程中的兩臺(tái)低頻射電探測儀都采用了長壽命設(shè)計(jì)，在嫦娥四號(hào)任務(wù)期滿結(jié)束后，很可能會(huì)繼續(xù)工作數(shù)年，獲得更多觀測機(jī)會(huì)。

隨著射電天文學(xué)的最后一扇窗逐漸開啟，“探路者”的每一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都有可能填補(bǔ)空白，這讓科學(xué)家們充滿期待。

平勁松說，比如太陽爆發(fā)時(shí)波段很寬，從上百億赫茲到幾百兆赫茲，直至很低的頻率。落到低頻時(shí)，相當(dāng)于是從離太陽很遠(yuǎn)的地方發(fā)射出來。這樣的爆發(fā)過去從未觀測到，但今后只要遇上，就能觀測并且追蹤它發(fā)生的整個(gè)過程，這對(duì)研究日地空間的天氣效應(yīng)，構(gòu)建模型預(yù)報(bào)太陽災(zāi)害事件等有很大幫助。

同時(shí)，嫦娥四號(hào)低頻射電探測儀還能借助對(duì)太陽爆發(fā)的觀測，探測月球的電離層環(huán)境。平勁松說，如果月球還有電離層，它也會(huì)像地球電離層一樣阻擋電磁信號(hào)，但阻擋的頻率更低。因?yàn)樘柕谋l(fā)是連續(xù)的，我們可以計(jì)算出哪一段輻射頻率被阻擋，以此推算月球電離層的密度特性。

搭載于鵲橋中繼星上的低頻射電探測儀，將與嫦娥四號(hào)低頻射電探測儀協(xié)同觀測。由于處在地月拉格朗日L2點(diǎn)，中繼星上的探測儀可以探測研究太陽低頻射電特征和地月空間低頻射電環(huán)境;連續(xù)監(jiān)測地球千米波輻射爆發(fā)，探究其帶來的空間擾動(dòng)。還有望在行星際激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性成果。

除了觀測太陽、地球、月球，低頻射電探測儀還有望觀測到銀河系中普遍存在的宇宙線電子，揭示宇宙線的起源與傳播過程，同時(shí)探測銀河系電離氣體云的分布。在銀河系之外，射電星系的輻射往往來自中心大質(zhì)量黑洞活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噴流。這些噴流逐漸冷卻，其輻射頻率也逐漸降低，因此低頻觀測還可能看到更古老的噴流，從而加深對(duì)黑洞活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

更激動(dòng)人心的可能性，是用低頻射電探測儀觀測探索宇宙大爆炸結(jié)束后的黑暗時(shí)代，以及此后第一代恒星形成時(shí)的宇宙黎明。此前，美國EDGES實(shí)驗(yàn)在78兆赫茲頻段發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的吸收譜，這有可能是宇宙黎明產(chǎn)生的，但與標(biāo)準(zhǔn)理論模型相差很大，因此引起很大爭議。如果能在純凈的電磁環(huán)境中進(jìn)行這種觀測，將有助于提升實(shí)驗(yàn)的精度。