NASA月球陨石坑射电望远镜:将照亮宇宙黑暗时代

摘要:

据外媒报道,经过多年的发展,月球陨石坑射电望远镜(LCRT)项目获得了50万美元的奖励以支持它进入NASA创新先进概念(NIAC)计划的第二阶段的额外工作。虽然还不是NASA的任务,但LCRT描述了一个可以改变人类对宇宙的看法的任务概念。

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LCRT的主要目标是测量宇宙黑暗时期产生的长波无线电波。黑暗时期指的是宇宙大爆炸后的几亿年,不过在首批恒星闪烁出现之前。虽然宇宙学家对这一时期所知甚少,但解开科学上一些最大谜团的答案可能就在这一时期充满宇宙的气体所产生的长波长无线电发射中。

“虽然没有恒星,但在宇宙的黑暗时代有充足的氢--氢最终会成为第一批恒星的原材料,”Joseph Lazio说道,“有了地球上足够大的射电望远镜,我们就可以追踪导致第一批恒星形成的过程,甚至可能找到关于暗物质本质的线索。”他是NASA位于南加州喷气推进实验室的射电天文学家也是LCRT小组的成员。

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地球上的射电望远镜无法探测到这一神秘时期,因为来自那个时期的长波无线电波会被大气层顶部的离子和电子层反射,这个区域被称为电离层。另外,我们嘈杂的文明社会发出的随机无线电辐射也会干扰射电天文学并淹没最微弱的信号。

但在月球的远端,没有大气层来反射这些信号,并且月球本身会屏蔽地球的无线电通信。月球远端可能是进行早期宇宙空前研究的绝佳场所。

为了对较长的无线电波长敏感,LCRT需要非常大。这里的想法需要在一个超过2英里(3公里)宽的陨石坑中创建一个超半英里(1公里)宽的天线。地球上最大的单碟无线电望远镜--如中国的1600英尺(500米)口径球面五百米射电望远镜(FAST)和波多黎各的1000英尺宽(305米宽)阿雷西博天文台--建造在自然碗洼地的景观结构以提供支持。

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这类射电望远镜使用了数千块悬挂在凹陷处的反射板,这能使整个碟面能够反射无线电波。然后,接收器通过一套缆绳系统悬挂在天线上方的一个焦点上由天线周围的塔固定从而来测量天线下方弯曲表面反射的无线电波。尽管FAST的体积和复杂性,但它对超过14英尺(4.3米)的无线电波长并不敏感。

JPL机器人科学技术专家、LCRT项目首席研究员Saptarshi Bandyopadhyay带领着由工程师、机器人专家和JPL科学家组成的团队将这类射电望远镜浓缩成最基本的形式。他们的理念消除了将极其沉重的材料运送到月球的需要并利用机器人自动化建造过程。LCRT不再使用数千块反射板来聚焦射入的无线电波,而是在陨石坑中心由细铁丝网构成。一个航天器将运送这个网、一个单独的着陆器将用来放置DuAxel探测器,然后在几天或几周内建造好这个盘子。

JPL正在开发的机器人概念DuAxel由两个单轴探测车(Axel)组成,它们可以彼此分离且能通过系绳保持连接。其中一半将作为一个锚部署在火山口的边缘,而其余部分则用来做建筑。

“DuAxel解决了许多跟在月球陨石坑内悬挂非常大的天线相关问题,”JPL机器人技术专家、LCRT和杜阿克塞尔项目团队成员Patrick Mcgarey表示,“单独的DuAxel探测车可以在系好绳子的情况下开进陨石坑、连接电线、施加拉力并抬起电线来悬挂天线。”

为了将该项目提升到下一个层次,他们将使用NIAC第二阶段的资金来完善望远镜的能力和各种任务方法并同时确定过程中面临的挑战。

在此阶段,团队面临的最大挑战之一是钢丝网的设计。为了保持它的抛物线形状和线之间的精确间隔,网必须既坚固又灵活且又要足够轻进而便于运输。这种网还必须能承受月球表面剧烈的温度变化--从零下280华氏度(零下173摄氏度)到高达260华氏度(127摄氏度)--而不变形或失效。

另一个挑战是确定DuAxel探测车是应该完全自动化,而且还需要人工操作。此外,虽然月球远端目前没有无线电信号,但这种情况在未来可能会改变。

在接下来的两年里,LCRT团队还将努力找出其他的挑战和问题。如果他们成功了,他们可能会被选择展开进一步的开发,这是一个启发Bandyopadhyay的迭代过程。

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