月球望远镜将寻找古代无线电波
能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家们正在领导一项将射电望远镜登陆月球的新工作。如果成功，该项目将标志着探索宇宙黑暗时代的第一步。
黑暗时代是宇宙历史的早期时代，开始于大爆炸后约 38 万年。黑暗时代没有恒星或行星。这是一个科学家从未能够观察到的时间点。尽管来自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已经掩盖了寻求研究它们的科学家的这些信号。
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”——他们就可以帮助揭开宇宙中一些最大谜团的答案，例如暗能量的本质或宇宙本身的形成。
“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出所有的东西，”布鲁克海文物理学家安泽·斯洛萨说。“到目前为止，我们只能使用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，那就意味着我们发现了新的物理学。”
现在，一个名为“月球表面电磁学实验之夜”(LuSEE-Night) 的新项目旨在首次获取黑暗时代信号。LuSEE-Night 是一个非凡的射电望远镜概念，将由 NASA 和 DOE 合作开发，布鲁克海文实验室领导 DOE 在该项目中的作用，DOE 的劳伦斯伯克利国家实验室提供关键技术支持。
LuSEE-Night 将创造历史，因为它能够到达一个荒凉的地方并在其中生存，那里有足够的无线电寂静来检测黑暗时代信号：月球背面。
在月球的黑暗面生存
有些人可能将其称为“月球的暗面”，但科学上称为“月球背面”的部分并非永远黑暗。月球背面因其无法从地球上看到而得名，但它有自己的昼夜循环。
“月球和地球被潮汐锁定，这意味着月球绕着自己的轴旋转的速度与绕地球旋转的速度相同，”Slosar 说，他领导着 DOE 对 LuSEE-Night 科学计划和运营的贡献，同时也是LuSEE-Night合作代言人。“这就是为什么我们总是看到月球的同一面。但是我们看不到的那一面，即月球背面，在夜间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很感兴趣，他们之前也曾尝试过到达那里。但是，作为交换，月球背面提供无线电寂静，它呈现出一个险恶的环境，科学设备几乎没有机会生存——更不用说将数据传回地球了。
月球背面在 14 个地球日完全黑暗，随后是 14 天的残酷阳光。这会导致温度在 250 到 -280 华氏度之间波动，并且可能会在几小时内发生巨大的变化。
“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的资深科学家兼 LuSEE-Night 项目仪器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陆月球，而有六辆去了火星，这是有原因的，火星距离地球更远 100 倍。这是一个真空环境，这使得散热变得困难，而且有大量的辐射。”
LuSEE-Night 白天必须在真空环境中排除热量，并在夜间防止自身结冰——同时为自己提供动力，度过 14 天的连续黑暗，并开展同类首创的科学研究。
“电力必须来自电池，电池的效率只能根据其尺寸来确定，”O'Connor 说。“更强大的电池更重，而且飞往月球的飞行任务有严格的质量限制。我们必须非常节俭地分配权力，这让我们进入了一个熟悉的领域，我们必须在权力和敏感性之间做出权衡。”
Brookhaven 的专业知识引领潮流
在严格的设计要求下建造世界领先的科学仪器是 Brookhaven Lab 仪器部门长期以来的专业领域。
“我们在建造达到灵敏度极限的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，”O'Connor 说。“在过去的 15 年里，我们已经转向了更多的天体物理学应用。最值得注意的是，Brookhaven 为鲁宾天文台开发了 3.2 gigapixel 传感器阵列 。它是有史以来最大的电荷耦合器件 (CCD) 阵列。”
Brookhaven 在 LuSEE-Night 项目中的领导作用还带来了射电宇宙学方面的专业知识。特别是，该实验室之前已经展示了设计、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系的物理学家、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-Night 雄心勃勃的科学目标和设计要求的关键组合——特别是对于开发高灵敏度射电望远镜。
“LuSEE-Night 不是标准的射电望远镜，”Slosar 说。“它更像是一个无线电接收器。它将像 FM 收音机一样工作，接收相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，并将信号转换为频谱。这就是我们的专业知识为我们提供起点的地方。尽管以前没有人建造过这样的仪器，但我们知道如何建造最关键的部件——一个非常灵敏的光谱仪。”
除了建造最重要的光谱仪外，Brookhaven 还领导 DOE 建造整个望远镜。
“我们将建造 LuSEE-Night 的电子设备，采购电池、太阳能电池板和通信设备，并确保仪器的所有组件都具有凝聚力并适合太空飞行，”Brookhaven 科学家 Sven Herrmann 说，他是 LuSEE-Night 建设项目经理DOE 是该任务的一部分，也是 Kavli 粒子天体物理学和宇宙学研究所的研究员。“我们将处理内部设备组装，然后将这些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集成。NASA 将通过其商业月球有效载荷服务计划协调此次发射 ，该计划利用私营公司提供前往月球的运输服务。”
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，望远镜将在转盘上部署由伯克利实验室开发的四根三米长的天线，用于数据收集。然后，LuSEE-Night 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，科学家们必须耐心等待 40 天，让 LuSEE-Night 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，他们不会知道 LuSEE-Night 是否幸免于难。
如果 LuSEE-Night 真的存活下来，合作将实现其主要目标：证明长期寻找的月球背面可以进行射电宇宙学实验。届时，科学家们将获得概念验证，用于在未来开发更精密的望远镜，该望远镜能够更好地探测遥远的黑暗时代信号——如果需要的话。
虽然 LuSEE-Night 主要被认为是探路者，但它旨在收集两年的数据，并且有可能做出重大发现。LuSEE-Night 可能会超越其主要目标，自行探测黑暗时代信号，甚至沿途揭开隐藏在宇宙深处的新的、意想不到的谜团。
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