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大家沒忘記嫦娥四號還在月球背面出差吧？

在射電天文學家的眼里，要實現它的科學目標，探索一些宇宙的終極秘密， 就得防住地球這個 " 友軍 "。

圖片來源：電視劇《亮劍》

什么，居然要 " 防范 " 地球？？？

月球不僅能作為一面盾牌，在電影《獨行月球》里保護地球（考慮到兩者的直徑比，月球能提供的保護作用其實并不大），還能利用自己直徑約 3500km 的身軀阻擋電磁波，提供有利于射電觀測設備工作的電磁環境。這些被月球所阻擋的干擾信號，并不是來自宇宙的電磁信號（這些可都是價值極高的目標信號），而恰恰是來自地球這個 " 友軍 "。

圖片來源：veer 圖庫

大氣層保護著地球上的生物，也給整個地球戴上了一層 " 在不同波段有不同透過率 " 的濾鏡。簡單來說，就是有些頻段的電磁波信號能透過大氣層抵達地面，有些頻段則不行。這些能透過大氣的頻段被稱為" 大氣窗口 "，它決定了地面上的觀測設備能收到哪些頻段的來自宇宙的信號。

大氣層阻擋各頻段的原理各不相同，有的頻段的信號會被氧分子吸收，有的頻段的信號則會被水汽吸收，而頻率在 3-30MHz 的信號則會被電離層反射絕大部分能量。來自宇宙的 3-30MHz 的信號大部分能量會被電離層反射回宇宙，無法抵達地球表面，也就無法在地球表面進行觀測。同時，從地球表面所發射出的 3-30MHz 的信號的大部分能量也會被電離層反射回地球表面，并在電離層與地球表面之間多次反射，這也是超視距短波通信的原理。

但這些被電離層阻擋的低頻射電信號同樣也有著重要的科學意義。

例如，經過紅移后的攜帶宇宙再電離時期信息的中性氫 21cm 譜線（信號產生時，頻率約為 1420MHz，經過紅移，頻率大約在 15-200MHz 范圍，部分信號會受到電離層的影響），太陽爆發所發出的輻射，以及太陽系內的一些大行星的射電輻射，都存在或部分存在于低頻射電頻段。所以在低頻射電頻段進行觀測，有助于對宇宙在電離時期、對太陽以及系內大行星進行深入的研究。

為了在低頻射電頻段進行觀測，射電天文學家們開始尋找合適的觀測方式。

如果 3-30MHz 的信號的能量是 "100% 被電離層反射 " 的話，那么解決這個問題的方案就很簡單了（就是成本比較高），我們只需要把低頻無線電信號觀測設備發射到大氣層外，在近地軌道上工作，它就只能收到來自宇宙的無線電信號了。

但現實遠沒有這么理想，部分 3-30MHz 的信號仍能穿過電離層。所以，實際當觀測設備在大氣層外運行時，會收到兩部分信號：第一部分，是沒有受到地球電離層影響的、來自宇宙的無線電信號；第二部分，則是來自地球，并部分穿過電離層的無線電干擾信號。

于是，就出現了尷尬的場面：

在地表上的觀測設備幾乎收不到來自宇宙的低頻射電信號，但在近地軌道上的觀測設備卻會收到來自地球的干擾信號。

射電天文學家們恨不得用一個巨大的屏障，擋在觀測設備與地球之間 ……

月球——現成的防范利器

由于潮汐鎖定的存在，月球的自轉周期與它圍繞地球的公轉周期一致，這使得月亮總是以同一面朝向地球。這樣一來，放置在月球背面的設備，不會隨著月球的自轉而在某個時間段內朝向地球。

射電天文學家們開始思考，如果將低頻射電觀測設備放置在月球的背面進行工作，是否能依靠月球巨大的體積，阻擋來自地球的低頻射電干擾，獲得更加優質的工作環境呢？

20 世紀中期開始，利用射電望遠鏡進行空間天文觀測成為持續熱點。1968 年和 1973 年分別發射的兩個射電天文探測器 RAE-1 和 RAE-2，專門用于 0.02~13.1 MHz 低頻射電觀測。 [ 1 ]

RAE-1 實物圖

（來源：維基百科）

RAE-2 概念圖

（來源：維基百科）

通過分析這兩顆衛星的觀測數據，人們確認了 " 月球能夠有效屏蔽來自地球的射電信號干擾，月球背面是太陽系中近乎最安靜的低頻射電觀測場所，是開展低頻射電信號觀測的最佳選擇 " 這一重要結論。 [ 2 ]

從此，" 去月球背面設置低頻射電觀測站 " 就成為了天文學家們的目標。

嫦娥四號，帶三套設備去月背

作為人類首次進行月球背面著陸的探測任務——嫦娥四號當然不會放過這個攜帶低頻射電觀測設備開展低頻射電天文研究的機會。

而且還帶了三套。

這三套觀測設備所能觀測的頻率范圍覆蓋了 0.1-80MHz，分別在地月拉格朗日 L2 點、月背表面和繞月軌道上進行觀測。

1. 地月拉格朗日 L2 點的中 - 荷低頻射電探測儀

為了實現人造探測器首次著陸月球背面，首先就要解決地球與處于月背的探測器的通信問題。月球 " 潮汐鎖定 " 的狀態雖然為低頻射電觀測提供了天然的觀測條件，但也阻礙了處于月球背面的探測器與地球之間的通信信號。為了使地球與處于月球背面的探測器之間能進行高效的通信，嫦娥四號任務的第一枚運載火箭攜帶著 " 鵲橋 " 中繼衛星奔向月球。

大量的科普文章已經介紹過 " 鵲橋 " 的作用，它處于地月拉格朗日 L2 的暈輪軌道上，同時能與地球和處于月背的探測器進行通信，作為通信中繼，構建了地球與月背探測器們的通信鏈路。

嫦娥 4 號中繼星 " 鵲橋 " 發射成功：一橋飛架南北，天塹變通途（圖片來源：見水印）

但搭載在 " 鵲橋 " 中繼星上的 " 中 - 荷低頻射電探測儀 ( The Netherlands-China Low-Frequency Explorer，NCLE ) " 可能就不那么出名了。這臺搭載在 " 鵲橋 " 中繼星上的國際合作有效載荷，目標觀測頻段為 0.1MHz-80MHz，利用地月拉格朗日 L2 點附近的獨特優勢，既可以收到高紅移的 21cm 線的信號，又可以對太陽及太陽系內行星（包括地球）的射電輻射進行研究，還能對地月拉格朗日 L2 點的射電背景強度進行測量。

" 鵲橋 " 中繼星與低頻射電探測儀的

（圖片來源： [ 1 ] ）

低頻射電探測儀的天線展開測試

（圖片來源：exploring the far side）

天線展開前后對比照片

（圖片來源：國家航天局探月與航天工程中心）

2. 月球背面的著陸器低頻射電頻譜儀

與搭載在 " 鵲橋 " 中繼星上的低頻射電探測儀不同，著陸器低頻射電頻譜儀上有四根天線。

明明三根天線就已經可以探測到足夠的信息，那為什么還需要一根 20cm 的短天線呢？

這是因為嫦娥四號任務所使用的著陸器是嫦娥三號任務的備用機，而在嫦娥三號任務中，并沒有低頻射電信號探測這一目標。因此，在著陸器設計之初，并沒有考慮對著陸器本身泄露出的電磁波干擾信號進行抑制處理。在著陸器上進行低頻射電觀測時，頻譜儀會受到著陸器所泄露出的低頻射電信號的干擾。就好像把錄音機放在一輛車上進行錄音，即使外界再安靜，錄音質量也會被這輛車的引擎聲所干擾。

但 " 鵲橋 " 中繼衛星是專門為嫦娥四號任務所設計的，考慮到低頻射電信號探測這一目標，在研發中繼星時就對衛星平臺與載荷進行了噪聲抑制與降噪處理，所以就不需要擔心 " 鵲橋 " 中繼星會干擾到觀測設備的運行。

正是因為搭載平臺上存在差異，搭載在著陸器上的低頻射電頻譜儀比搭載在鵲橋衛星上的觀測設備多了一根天線。長天線、短天線都能清晰地收到來自著陸器的近場電磁波信號，但只有長天線能清晰地收到來自遙遠天體的遠場電磁波信號。通過對比兩套天線所收到的信號的差異，就能把遠場信號與近場信號區分開來，獲得我們所需要的來自遙遠天體的射電信號了。

3. 月球軌道編隊超長波天文觀測微衛星

對射電望遠鏡來說，" 分辨率 "（分辨兩個靠近的源的能力）與 " 增益 "（收集電磁波信號的能力）是非常重要的參數。觀測的波長越短，天線的口徑越大，其分辨率就越高。但對于低頻射電信號來說，其波長較長，分辨率比較低。如果用 " 制造巨型天線 " 的方法去提升分辨率的話，成本將會高到難以承受。

所以，射電天文學家們想到了另一個方法：將兩臺使用小型天線的望遠鏡放在間隔 N 米的地方，同時進行觀測，那這兩臺望遠鏡的分辨率就能媲美一臺使用直徑為 N 米的大型天線的望遠鏡，但制作兩臺小型天線的成本卻比制造一臺直徑為 N 米的大型天線低了許多——這種技術被稱作為：干涉測量。

既然我們可以在地球表面設置兩臺探測儀同時觀測以提高分辨率，又能把觀測設備搭載在衛星上、發射到月球軌道上躲避來自地球的低頻噪聲干擾，將這兩種方法結合起來，就有了嫦娥四號任務中的第三套低頻射電探測設備——月球軌道編隊超長波天文觀測微衛星。

兩顆月球軌道超長波天文觀測微衛星

( 圖片來源： [ 1 ] )

龍江二號微衛星實物

（圖片來源：哈爾濱工業大學）

2018 年 5 月 21 日，嫦娥四號月球任務的通訊中繼衛星鵲橋號與龍江一號、龍江二號同時發射升空。

如果一切順利，兩顆搭載了低頻射電探測儀的微衛星將在繞月軌道上進行編隊飛行，并隨時修改基線的方向與長度，具有比固定在地面上靠地球自轉來改變基線的干涉測量系統更靈活的基線變化能力，可以等效成多單元的干涉成像系統。想要實現這樣的變基線能力，對雙星間的時間、頻率同步提出了很高的要求。

可惜的是，龍江一號因故突然失聯。經過飛控團隊的努力，才實現了 " 龍江二號 " 的在軌搶救成功。由于 " 龍江一號 " 的缺席，低頻射電信號的雙星編隊干涉測量卻無法進行了。

但幸運的是，處于繞月軌道上的 " 龍江二號 " 還有一個得天獨厚的優勢。

由于 " 鵲橋 " 中繼星需要與地球通信，搭載在中繼星上的低頻射電探測儀并不能完全避免來自地球的低頻射電干擾。而著陸器位于月背，搭載在著陸器上的低頻射電頻譜儀在享受月背寧靜的電磁環境的同時，也完全無法收到來自地球的低頻信號。

低頻射電探測儀正樣

（圖片來源： [ 4 ] ）

只有 " 龍江二號 " 處于繞月軌道上，會多次經過月球的正面與背面，也就可以繪制出繞月軌道上各處的低頻射電頻譜圖，確認月球對來自地球的干擾信號的屏蔽效果。同時，還能在位于月球正面時，將觀測數據直接傳給地球上的觀測站，而不需要使用 " 鵲橋 " 中繼星進行數據轉發。

低頻射電探測器三極化數據在月球遮擋地球前后的對比

（圖片來源： [ 4 ] ）

上圖為 2018 年 9 月 28 日低頻射電探測器三個極化數據在月球遮擋地球前后的對比，在每個通道中，橫軸代表著時間，而某些頻率上的干擾信號逐漸消失，意味著衛星逐漸運行到了月背，不再受到來自地球的信號的干擾。由此可見，月球對地球的射頻干擾起到了良好的遮擋作用。

低頻射電探測儀在軌期間累計開展觀測 329 分鐘，對月球軌道不同位置的輻射譜進行探測，獲取了月球軌道 1-30MHz 超長波連續譜，完成地球射電干擾普查，針對太陽、木星、銀心和 Cas-A 等強射電源開展了掩月探測試驗，對三正交卷尺型展開天線、超穩定接收機﹑高精度定標等有效載荷關鍵技術進行了驗證。 [ 4 ]

2019 年 7 月 31 日 22 時，世界首個獨立完成地月轉移、近月制動、環月飛行和一定探測任務的月球微衛星—— " 龍江二號 "，以撞擊月球的方式結束使命，累計在軌運行 437 天。

結語

" 龍江二號 " 的使命已經告一段落，而嫦娥四號任務中的中繼星低頻射電探測儀與著陸器低頻射電頻譜儀依然還在工作。在作為 " 友軍 " 的地球上，總會有人遙望著月球，除了默念千年來無數吟誦月球的詩句外，偶爾也會有人想起仍在月球上替人類默默聆聽來自宇宙的信號的的探測器們，并期待著下一次回傳的數據中，隱藏著有關宇宙黎明的秘密。