基本介紹
- 中文名：宇宙黑暗時代
- 外文名：cosmic dark ages
- 其他名稱：宇宙的黑暗時代
黑暗時代,中國計畫,鵲橋衛星,
黑暗時代
宇宙大爆炸後，宇宙的溫度非常高，密度也非常大，光子在傳遞了很小一段距離後便會與其他光子或基本粒子相撞，形成新的物質粒子與其反粒子（如電子-正電子對）。這種情況下，光不能傳播較長距離，隨著宇宙膨脹，溫度下降，物質密度降低，光子不會再劇烈碰撞產生新粒子而是長距離傳播，這一過程被稱為物質-能量去耦（光子-重子去耦）。這一過程中，宇宙幾乎處處在發光，此時的光線直到仍然能夠探測到，但是此後宇宙卻進入了一個不再發光的黑暗時代，這一時代大約持續了幾億年。雖然此時宇宙不再產生電磁輻射，但是黑暗的氣體團卻開始暗中積蓄能量，不斷在引力的作用下收縮，形成了最初的原恆星，隨著第一批恆星的誕生，黑暗時代結束，宇宙逐漸透明。這也就是宇宙的黎明時期。
根據標準宇宙學模型理論，宇宙大爆炸結束後進入黑暗時代，在萬有引力作用下原初擾動逐漸增長形成第一代恆星和星系，宇宙進入黎明時期。
通過觀測 21cm 輻射的信號，天文學家們可以了解寒冷的宇宙'黑暗時代”，以及之後的宇宙再電離過程。美國亞利桑那州立大學的 Judd Bowman 和麻省理工的 Alan Rogers 等人合作首次探測到了宇宙早期的 21 厘米氫原子輻射信號。
宇宙的黎明
宇宙的黎明據研究，重子和暗物質粒子的相互作用可能可以通過對第一批恆星的研究揭示出來，這就需要我們進一步了解宇宙的黑暗時期與其結束。
宇宙的黑暗時代——背景輻射與再電離。宇宙的黑暗時代是“暗宇宙”研究的重要課題之一。
2011年4月12日，歐洲宇航局宣布，一個國際天文學研究小組發現了一個距今135.5億年的星系，這是已知最古老的星系。這一發現有助於揭開宇宙“黑暗時代”之謎。根據科學界普遍認可的大爆炸理論，我們的宇宙是137.5億年前由一個非常小的點爆炸形成的。隨著宇宙的膨脹，大爆炸約38萬年後，能量逐漸形成了物質，大量氫氣彌散在宇宙中。這時由於沒有新的光源產生，宇宙是黑暗的。儘管此後逐漸有恆星、星系誕生，但他們產生的光仍然很暗，並且被彌散在宇宙中的“氫氣霧”遮掩，直到10億年後，星系越來越多，“氫氣霧”被它們產生的電磁輻射驅散後，宇宙才開始亮起來。這10億年被稱為宇宙“黑暗時代”。對“黑暗時代”的研究是當今科學前沿課題之一，而發現和研究在“黑暗時代”誕生的恆星和星系是揭開這一時代奧秘的關鍵。
中國計畫
在科學中，世界各國都在不斷的進行太空探索。近日，中國又有一項月球任務計畫在5月21日進行發射，將進行對宇宙的“黑暗時代”進行探索，深入月球的“心臟”去觀察。從月球外的有利位置開始，傳遞嫦娥4號的數據，以低頻率聆聽宇宙。
這次發射任務的原則是證明，將射電天文學置於大氣之上，阻止關鍵的無線電頻率，並遠離太空的干擾。美國也正在研究可用於探測宇宙的小型無線電衛星。對歐洲天文學家來說，這是對與中國合作的一次考驗。
早在2015年，荷蘭就與中國達成太空的合作任務，荷中低頻探測器是荷蘭科學界在射電天文學的突出表現，其低頻陣列(LOFAR)橫跨歐洲北部大部分地區。中國的這次探月任務，剛好利用到了。中國國家天文台駐北京的負責人表示:這真的是雙方的挑戰。
宇宙演化
宇宙演化為了回到第一顆恆星之前的黑暗時代，天文學家們正在尋找原始中性氫氣中的電子，自發地翻轉其方向時發出的信號，達到我們能夠探索到的信號，但在超過130億年的時間中，宇宙在進行不斷的膨脹，很可能已經改變了，並且輻射使中性氣體電離並最終消除了微弱的信號。
不過，中國科學團隊有自己的計畫，已經在嫦娥四號登入器上放置了基本的接收機，並且可以利用微型彗星近入月球軌道的變換過程，研究太陽射電爆發情況，然後嘗試將NCLE接收到的信號，與接地檢測器所採用的信號相結合，這種技術稱為干涉測量法，可以提高解析度。
這是對我們在月球上進行宇宙的第一次聆聽宇宙，黑暗時代極化探路者的小型衛星將成為宇宙的一個代表作，人類終有一天會在月球上成立天文台，深入對月球的研究。科學家伯恩斯預測，在未來5年美國航空航天局也可能將會進行低頻望遠鏡的研究。
鵲橋衛星
在中國發射的“鵲橋”衛星上，搭載一個荷蘭製造的無線電接受機，它將幫助我們了解宇宙誕生最初的幾億年——也就是第一顆恆星出現之前，所謂的“宇宙黑暗時代（cosmic dark ages）”——所發生的事情。
作為中國探月工程的一部分，中國的航天工作者計畫在2018年的下半年發射嫦娥四號月球探測器。但在此之前，需要在5月21日發射一顆中繼衛星“鵲橋”，來為嫦娥四號提供通信支持。這顆衛星發射後，將穩定的運行在地球與月球的引力平衡點“地月系統拉格朗日-2點”。
雖然“鵲橋”是一顆通訊中繼衛星，但除了通信任務之外，它的上面還會搭載一個由荷蘭製造的無線電接收機，來幫助人類在低頻段聆聽宇宙，尋找宇宙大爆炸後最初的幾億年中殘存的線索。
“鵲橋”（放大鏡中的L2點）與地球、月球的相對位置
荷蘭-中國低頻探測器（NCLE）工程
這項任務是射電天文學研究可以在大氣層之外進行的有力證明。在此，接收機可以有效的探測關鍵的無線電頻段，遠離塵世的干擾。“將整個研究帶到外太空是極具吸引力的”，同樣在開發小型射電探測衛星的，在麻省理工學院的海斯塔克天文台工作的麥可·赫奇特（Michael Hecht）說道。
而對於歐洲的天文學家來說，這是一次與中國合作的重要嘗試，這能幫助他們進行一些NASA拒絕與之合作的研究。
鵲橋
鵲橋這次合作名為“荷蘭-中國低頻探測器（Netherlands-China Low-Frequency Explorer）工程”，縮寫為NCLE。在2015年荷蘭的貿易代表團訪問中國期間，兩國討論並同意開展了這一項目。由於荷蘭在射電天文學上實力很強，中國又有明確的月球探測計畫，因而雙方可謂“一拍即合”。NCLE的首席研究員，荷蘭拉德堡大學的海諾·法爾克（Heino Falcke）說：“實驗的一半在於如何合作。”而中方的負責人也表示：“對於雙方，這都是一個非常有挑戰性的工作…不同的文化、習慣、語言、工作方式。”
探測宇宙的“黑暗時代”
回到之前提到的“黑暗時代”。為了“看到”宇宙第一顆恆星出現的時刻，天文學家們一直都在尋找原始的中性氫氣中，電子自發反轉自旋方向時發出的信號。這些信號在誕生之初本來是波長較短的射電波，但這些信號在130億年的漫長旅行中，宇宙的膨脹效應使它們已經成了波長很長的低頻波。
宇宙的演化歷程，恆星形成之前即為“黑暗時代（Dark ages）”
由於這個信號混雜在宇宙輻射源與其他物體造成的無線電噪聲之中，所以很難分辨出來。到2018年6月4日，只有一組在澳大利亞的地面射電望遠鏡給出了一個這樣的信號。
但“鵲橋”則會在一個更為“安靜”的地方進行探測。不過，為了與地球進行通訊，“鵲橋”不能完全待在月球的陰影之中，這意味著NCLE依然要受到一定的地球干擾信號。但是，由於沒有大氣層的阻擋，NCLE可以更容易的探測到30兆赫茲以下的低頻信號。
需要指出的是，“鵲橋”到達目的地後，NCLE不能立即開始工作，它需要等待嫦娥四號完成其主要任務：探索月球南極的艾特肯盆地，之後才能在2019年3月左右打開它的碳纖維天線。除了上面提到的“宇宙黑暗時代”，研究人員還會利用它來探測太陽耀斑、木星極光以及來自銀河系的無線電信號。“沒有什麼比真實數據更好了”，法爾克說。
宇宙
宇宙中方計畫
中國的NCLE團隊則還有自己的計畫：“鵲橋”會在到達目的地後向月球軌道釋放出兩個微型衛星，用來研究太陽的射電爆發，而在嫦娥四號上還會另有一台接收器。另外，中國研究團隊還會嘗試將NCLE接收的信號與地球表面探測器採集的信號相結合，以獲得更高的測量精度，這被稱為“干涉測量法（interferometry）”。中方研究人員表示，只要探測器足夠靈敏，這種干涉測量法可以幫助我們繪製出全新的宇宙全景圖。
該類衛星屬於通信衛星，被形象地稱為“衛星的衛星”，因為它們可為衛星、飛船等太空飛行器提供數據中繼和測控服務，極大提高各類衛星使用效益和應急能力，能使資源衛星、環境衛星等數據實時下傳。
而嫦娥四號任務的難點之一在於人類在地球上無法與月球背面直接通信。外媒指出，利用中繼通信衛星實現地球與月球背面的通信，是中國人的創舉。
宇宙在大爆炸之後的一段時間是黑暗的，因為宇宙中只有中性的氫，發光的第一代恆星還沒有形成，這段從幾十萬年到幾億年的時間被稱為宇宙的“黑暗時代”。
“黑暗的宇宙並不是沒有留下‘蛛絲馬跡’。”吳季說。圍繞氫原子旋轉的電子會偶爾變換其旋轉方向，輻射1.4GHz的電磁波。經過130多億年宇宙的膨脹，這個頻率產生了紅移，降低到30MHz以下。要想測得這個“蛛絲馬跡”，最好的辦法就是到月球背面，在非常“安靜”的電磁環境中去“傾聽”。中國科學院國家空間科學中心研究員表示。
麻省理工學院海斯塔克天文台的Michael Hecht說:“把整個演出帶到太空是非常吸引人的。”他的團隊也在開發小型無線電衛星，可以用來探測宇宙。對於歐洲的天文學家來說，這也是對與中國合作的一種考驗。
據悉，中國嫦娥四號任務已確定搭載荷蘭、德國等國家的4台國外科學載荷。
荷蘭Radboud大學的首席研究員Heino Falcke長期以來一直倡導“在月球上低頻採集與測距”。
“中國有一個雄心勃勃的登月計畫，所以他抓住機會邁出了第一步。”他說。
