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超长波天空的神秘面纱:探索黑暗时代和宇宙黎明

时间:2020-01-30 10:28 来源:网络 作者: 菜叶

  克日,美国 EDGES 尝试团队在《天然》杂志上颁发论文,声称探测到了宇宙拂晓发生的21 cm 汲取谱旌旗灯号。固然这一观察成果另有待进一步证明,但也惹起了全球地理学家们的遍及爱好。恰在此时,中国迷信院空间迷信先导专项也于2018年3月1日启动了超长波地理观察阵列布景型号项目研讨,无望初次揭开超长波天空的奥秘面纱,并摸索暗中期间和宇宙拂晓。

  宇宙暗中期间是在大爆炸竣事(宇宙春秋38万年)到第一代恒星构成之前的期间,这一期间的宇宙中还没有恒星、星系等发光天体,乃至本日宇宙中的很多重元素如碳、氧、铁等也都还不存在,只要氢原子和氦原子布满在空间中。尔后在万有引力的作用下,颠末几万万年到几亿年的演变,才开端构成第一代恒星和星系,收回第一缕曙光,宇宙迎来了拂晓。尔后构成愈来愈多的恒星、星系和类星体,它们的辐射终极将宇宙气体电离(宇宙再电离),演变为本日的宇宙。关于宇宙的这一段演变,探测很是坚苦,我们今朝还所知少少,《迷信》杂志将此列为全球最前沿的125个迷信成绩之一。

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宇宙历史

  暗中期间和宇宙拂晓的次要可观察旌旗灯号是宇宙中大批漫衍的氢原子所发射或汲取的波长为21厘米的电磁辐射(简称为21 cm 辐射)。跟着宇宙收缩,这些辐射的波长也随之红移变长。经过对各个差别波长的21 cm 辐射举行丈量,便可以得到差别间隔上氢原子漫衍,从而绘制出宇宙的三维图象。

  不外,和银河系等离我们较近的天体发生的辐射比拟,这些迢遥宇宙的21 cm 旌旗灯号很是薄弱,探测有相称的难度。虽然如斯,因为其宏大的迷信代价,今朝国际上已有很多尝试筹划实验对其举行探测,如荷兰等欧洲国度研制的 LOFAR 千里镜,澳大利亚的 MWA 千里镜,美国的 LWA 千里镜,以及美国和南非正在结合研制的 HERA 千里镜。

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几个探测宇宙再电离21cm旌旗灯号的阵列:21CMA(中国),LOFAR(荷兰),LWA(美国),MWA(澳大利亚)

  我国也研制了21CMA阵列对其举行探测,口径500米的天下最大单天线千里镜中国天眼 FAST 也筹划举行探测尝试。别的,由包含中国在内的多个国度结合研制的天下最大射电千里镜阵列平方千米阵(SKA)也把宇宙再电离的成像观察作为其最紧张的迷信方针。

  以上这些尝试次要在空中举行,用于探测宇宙的黄昏宇宙再电离。可是,宇宙的暗中期间和拂晓期间间隔我们更迢遥,红移更高,本来的21 cm 辐射曾经酿成波长很长的电波了,故此将其称为超长波。

  因为地球大气电离层对超长波有激烈的折射和汲取作用,且这一频段地球上也有大批野生和天然发生的电磁辐射,经电离层反射后在大范畴内传布,是以在空中上很是难以观察,今朝频次30 MHz 以下波段缺少高质量的地理观察,此中10 MHz 以下几近仍是空缺,30 MHz – 120 MHz 的观察精度也遭到必定影响。

  要举行这一频段观察,最好是在太空举行。不外,即使在太空,地球也会对四周的空间发生宏大影响。荣幸的是,地球的自然卫星月球能够帮忙遮挡来自地球的搅扰电波,是以正如天下政协委员、中国迷信院国度空间迷信中间吴季研讨员所说的,最好的措施就是到月球反面,在很是宁静的电磁情况中去谛听。

  多年来,我国迷信家不断存眷着这一前沿范畴。2003年,时在美国的陈学雷博士和 Jordi Miralda-Escude 传授初次预言了 EDGES 尝试所探求的宇宙拂晓旌旗灯号–21 cm 的强汲取谱。2005年,提出了用绕月卫星举行低频射电观察宇宙暗中期间的假想。2007年,国度地理台展开了空间甚低频射电地理观察的关头技能研讨。2014年,中欧结合团队提出了 DSL 筹划,对超长波地理观察阵列计划展开了零碎研讨。期近将举行的嫦娥4号使命中,也将搭载低频射电实验项目,对超长波阵列部份关头技能举行考证。

  2018年,中国迷信院空间迷信先导专项(二期)对准庞大底子迷信前沿,遴选出了大概完成庞大冲破的偏向,宇宙暗中期间探测即是此中之一,超长波地理观察阵列项目应运而生,将环绕初次获得超长波段高辨别率天空图象、紧密丈量全天射电频谱,摸索宇宙暗中期间和拂晓、发明和研讨低频射电源、研讨银河系星际介质、太阳和系行家星射电勾当等迷信方针展开研讨。

  因为超长波的电波波长为几米到几百米,而卫星上可以装置的接纳天线尺寸无限,偏向性欠好,单靠一个天线难以切确丈量超长波的辐射偏向。这有点近似人的耳朵而不是眼睛(人耳听到的声波普通波长为几十到几百厘米,而耳朵外廓只要几厘米),单凭一只耳朵难以辨别传来声响的偏向。不外,凭仗两只耳朵,我们已可大抵辨别声响的偏向。一样,假如有多个天线接纳旌旗灯号,能够按照差别天线旌旗灯号的干与丈量获得它们收到旌旗灯号的工夫差,进而切确辨别差别偏向传来的电波强度。

  超长波地理观察阵列筹划由多少颗环抱月球编队飞翔的卫星构成,包含一颗主星和多少子星,每颗子星上装有接纳机,将收到的旌旗灯号发给主星。主星一方面担任丈量出每颗子星的绝对地位,一方面临收到的数据举行处置,并将成果保管在星上。当各星都处在月球反面、地球的搅扰被掩蔽时开机举行观察,而当绕到月球正面时则将保管的数据传回地球。

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超长波地理阵列由多少环抱月球编队飞翔的卫星构成

  按照这些数据,能够绘制出超长波波段天空的天图,从而初次揭开这一频段的奥秘面纱。同时,也能够举行高精度的全天均匀频谱丈量,探测宇宙暗中期间和宇宙拂晓的旌旗灯号。

  固然国际上已有许多地理卫星,但地理空间观察阵列尚属初次,有许多关头技能亟待办理。在布景型号研讨时代,项目组将展开迷信方针凝练、整体计划计划、关头技能攻关、道理样机研制以及空中实验考证等任务,为将来的工程立项做好充沛筹办。这将使我国在超长波射电研讨范畴跨出具有划期间意义的天下第一步,无望成为由中国引领的庞大国际迷信筹划,获得冲破性的庞大迷信发明,为我们发表波涛壮阔的宇宙演变面前最根本的物理纪律。

  该项目团队成员次要来自中科院国度地理台、国度空间迷信中间等单元,项目担任报酬国度地理台陈学雷研讨员。

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