月球射电望远镜项目旨在寻找古老的无线电波

　　LuSEE-Night着陆点位于月球背面，位于23°48'50“S 176°49'47”E，处于当地地形高点。南部的位置使科学家可以通过中继通信卫星进行更好的覆盖。Credit: Brookhaven National Laboratory

　　据美国物理学家组织网（by Brookhaven National Laboratory）：美国能源部（DOE）布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家正在领导一项新的努力，将射电望远镜降落在月球上。如果成功，该项目将标志着探索宇宙黑暗时代的第一步。

　　黑暗时代是宇宙史的早期时代，始于大爆炸后约38万年。黑暗时代没有恒星或行星。这是科学家们从未能够观测到的时间点。尽管黑暗时代的无线电波仍在太空中徘徊，但地球上大量的无线电干扰掩盖了科学家试图研究它们的信号。

　　如果宇宙学家能够探测到来自黑暗时代的无线电波，即所谓的“黑暗时代信号”，他们将有助于揭开宇宙中一些最大谜团的答案，比如暗能量的性质或宇宙本身的形成。

　　布鲁克海文物理学家安泽·斯洛萨（Ane Slosar）表示：“在恒星形成之前，对宇宙进行建模更容易。我们几乎可以精确地计算所有的东西。”。“到目前为止，我们只能使用一个称为宇宙微波背景的基准来预测宇宙的早期阶段。黑暗时代信号将提供一个新的基准。如果基于每个基准的预测不匹配，这意味着我们发现了新的物理。”

　　现在，一个名为“月球表面电磁实验之夜”（LuSEE Night）的新项目旨在首次访问黑暗时代信号。LuSEE之夜是NASA和DOE合作开发的射电望远镜的一个非凡概念，Brookhaven实验室领导DOE在该项目中的角色，DOE的劳伦斯伯克利国家实验室提供关键技术支持。

　　LuSEE之夜将创造历史，因为它能够到达一个不适宜居住的地方并在那里生存，那里有足够的无线电静默，可以探测到黑暗时代的信号：月球背面。

　　在月球的黑暗面生存

　　有些人可能知道它是“月球的黑暗面”，但科学上称之为“月球背面”的东西并不是永远黑暗的。月球背面因无法从地球上看到而得名，但它经历了自己的昼夜循环。

　　“月球和地球是潮汐锁定的，这意味着月球以与地球相同的速度围绕自己的轴旋转，”斯洛萨说。斯洛萨是美国能源部对LuSEE之夜科学计划和运营的贡献负责人，也是LuSEE夜合作发言人。“这就是为什么我们总是看到月球的同一面。但我们看不到的那一面，即月球的远侧，在夜晚被月球自身的质量屏蔽了许多无线电干扰源。”

　　几十年来，世界各地的宇宙学家一直对从月球背面观察宇宙感兴趣，他们以前也曾尝试过到达月球。但作为对月球远端无线电静默的交换，它提供了一个危险的环境，科学设备几乎没有生存的机会，更不用说将数据传输回地球了。

　　月球背面在14天的黑暗中，随后是14天的暴晒。这会导致温度在250至-280华氏度之间波动，几小时内就会发生剧烈变化。

　　“月球比火星更容易到达，但其他一切都更具挑战性，”布鲁克海文仪器部门和LuSEE夜间项目仪器科学家的高级科学家保罗·奥康纳说。“在过去的50年里，只有一辆机器人漫游车登上了月球，而六辆则去了距离100倍远的火星，这是有原因的。这是一个真空环境，很难排除热量，而且还有大量辐射。”

　　LuSEE Night白天必须在真空环境中排除热量，并在夜间保持自身不结冰，同时在持续14天的黑暗中为自己提供动力，并进行首次同类科学研究。

　　奥康纳说：“电力必须来自电池，根据电池的大小，电池只能如此高效。”。“更强大的电池更重，登月飞行任务有严格的质量限制。我们必须非常节约分配的能量，这让我们进入了一个熟悉的领域，我们必须在能量和灵敏度之间做出权衡。”

　　在严格的设计要求下建造世界领先的科学仪器是布鲁克黑文实验室仪器部门的长期专业领域。

　　奥康纳说：“我们在建造探测器仪器方面有着悠久的历史，无论是在高能物理实验中探测亚原子粒子，还是在国家同步加速器光源II中探测超亮X射线，都能达到灵敏度的极限。”。“在过去的15年中，我们朝着更多的天体物理学应用方向发展。最值得注意的是，布鲁克海文为鲁宾天文台开发了3.2千兆像素的传感器阵列。这是迄今为止最大的电荷耦合器件（CCD）阵列。”

　　布鲁克海文在LuSEE之夜项目中的领导作用也带来了射电宇宙学的专业知识。特别是，实验室之前已经证明了设计、建造和操作原型射电望远镜的能力。来自实验室仪器部门和物理部门的物理学家、工程师和技术人员合作创建了原型，并以高灵敏度观察了遥远宇宙的大片区域。

　　该实验室的科学和技术专长是实现LuSEE之夜雄心勃勃的科学目标和设计要求的关键组合，特别是在开发高灵敏度射电望远镜方面。

　　斯洛萨说：“鲁塞之夜不是标准的射电望远镜。”。“它更像是一个无线电接收器。它将像调频收音机一样工作，接收类似频段的无线电信号。光谱仪是它的核心。就像无线电调谐器一样，它可以分离出无线电频率，并将信号转换成频谱。这就是我们的专业知识给我们的起点。尽管以前没有人制造过这样的仪器，但我们知道如何制造最关键的部件——一个非常灵敏的光谱仪。"

　　除了建造最重要的光谱仪外，布鲁克海文还领导美国能源部建造整个望远镜。

　　“我们将建造LuSEE之夜的电子设备，采购电池、太阳能电池板和通信设备，并确保仪器的所有部件都具有凝聚力，适合航天飞行，”布鲁克海文科学家斯文·赫尔曼（Sven Herrmann）说。“我们将处理内部设备组装，然后将部件运送到加州大学伯克利分校的空间科学实验室进行最终整合。NASA将通过其商业月球有效载荷服务计划协调发射，该计划利用私营公司提供月球运输。”

　　在月球背面着陆后，LuSEE Night的着陆器将永久关闭，因此不会产生任何干扰。然后，该望远镜将在转台上部署四根三米长的天线，由伯克利实验室开发，用于数据收集。然后，卢塞之夜必须面对最大的挑战：在月球背面度过第一个夜晚。

　　在地球上的家里，科学家们必须耐心等待40天，等待LuSEE之夜收集第一个数据集并将其传输到与地球通信的中继卫星。在那之前，他们不知道鲁塞之夜是否幸存。

　　如果LuSEE之夜能够幸存下来，这项合作将实现其主要目标：证明长期以来寻找的月球远端可以进行射电宇宙学实验。然后，科学家们将有一个概念的证明，在未来开发一个更精密的望远镜，如果需要的话，它可以更好地探测遥远的黑暗时代信号。

　　虽然LuSEE之夜主要被认为是一个探路者，但它的设计目的是收集两年的数据，并有可能实现宏伟的发现。LuSEE之夜可能会超越其主要目标，自行探测黑暗时代的信号，甚至在这一过程中揭开隐藏在宇宙深处的新的意想不到的秘密。