只有四个机器人可以在月球背面部署一个巨大的射电望远镜

几十年来,天文学家一直主张在月球背面建造射电望远镜。 这个“无线电静区”始终背对地球,为研究各种天文现象提供了理想的位置,这些现象在我们星球的低无线电频率下甚至是绕地球轨道的太空望远镜都无法观测到。 但是这样一个项目的成本和后勤工作已经将这些概念中的大部分推向了未来梦想的领域。

但现在,一群天文学家和工程师已经制定了一个概念,即放置在月球背面的射电望远镜,其直径可能高达 100 平方公里,它可以从一个机器人月球着陆器和四个两轮漫游车上展开。 .

用于黑暗时代和系外行星的无线电科学调查的远端阵列(FARSIDE) 将使用漫游车在月球背面的表面部署和操作一组 128 个双极化偶极子天线。 该阵列将由一个扁平的、薄的(只有一两毫米)、嵌入天线的带状系绳组成,它还具有光通信和电力传输能力。

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FARSIDE 概念展示了天线阵列在月球表面的展开。 天线和驱动电子设备集成在四个 12 公里的系绳辊中,为天线节点和部署漫游车提供电力和通信。 致谢:XP4D、NASA JPL 和 Blue Origin
FARSIDE 概念展示了天线阵列在月球表面的展开。 天线和驱动电子设备集成在四个 12 公里的系绳辊中,为天线节点和部署漫游车提供电力和通信。 致谢:XP4D、NASA JPL 和 Blue Origin

“由此产生的干涉射电望远镜将提供前所未有的遥远恒星系统的射电图像,从而可以研究日冕物质抛射和高能粒子事件的微弱射电信号,还可能导致在其母星宜居区内的系外行星周围检测磁层, ”团队在他们的文章中写道 预印本论文,发表在 arXiv 上。

此外,加州理工学院天文学教授、该概念的作者之一 Gregg Hallinan 博士说,FARSIDE 将有能力表征我们自己的太阳系中的类似活动,从太阳到外行星,包括假设的第九行星。学习。

“我个人对寻找可居住系外行星的系外行星磁场感到最兴奋,”哈利南通过电子邮件告诉今日宇宙。 “这可能是我们自己的太阳系中行星可居住性的关键因素,我们实际上还没有其他系外行星的数据。 这就是为什么我将设计推向非常低的无线电频率,比从地面甚至地球轨道可访问的频率低 100 倍。”

Hallinan 在 FARSIDE 上的工作是基于他在导演方面的工作 新升级的阵列 试图在地球上进行类似类型的射电天文学,称为 位于加利福尼亚州的欧文斯谷射电天文台长波阵列 (OVRO-LWA)。 新的升级将使天文台每十秒钟对整个天空进行一次成像,试图探测类似木星的系外行星的磁场。

“FARSIDE 的设计基于 OVRO-LWA,”Hallinan 说,“但将把月球的频率降低 100 倍,以追逐那些可居住的行星。 我也对‘黑暗时代’科学充满热情——在第一批恒星和星系形成之前的时间——因为那是宇宙学的下一个大前沿,而且完全无法从地面进入。”

虽然 FARSIDE 的想法 已经存在了几年,使用机器人和无人着陆器的新想法使这个概念更加可行。 将部署天线带的 FARSIDE 机器人漫游车的设计基于 阿克塞尔流浪者家族 喷气推进实验室已经开发了 20 多年。 Axel 的一些最新迭代使漫游车特别擅长在粗糙的表面上部署仪器,比如月球背面。 两轮系留漫游车甚至可以在陡峭崎岖的地形上工作,甚至可以在高坡度的地形下垂降。 JPL 表示,系绳在更陡峭的斜坡上提供机械支撑,并从主机平台提供电力和通信。 Hallinan 和团队设计了系绳,使仪器/天线也集成在其中。

Hallinan 说:“通过躺在地上,偶极子实际上对直视具有非常好的灵敏度”来研究宇宙。

对覆盖在月球表面高程模型上的四种布局拓扑进行了分析。 图片来源:McGary、Hallinan 等人。
对覆盖在月球表面高程模型上的四种布局拓扑进行了分析。 图片来源:McGary、Hallinan 等人。

漫游者将绕出四个独立的 12 公里长的系绳,每个系绳都有 64 个远程供电的电子节点。 该团队分析了阵列的四种不同设计(见上图),最佳性能的获胜者是四臂螺旋,它“需要最短的漫游车轨迹,这意味着更容易容纳更小的系绳线轴和更少的质量负担每个漫游车。”

除了与 JPL 合作外,该团队还与 Blue Origin 合作,研究怎样将 FARSIDE 望远镜的设计集成到现有的月球着陆器中,他们在案例研究中使用了 Blue Moon Lander。 具体来说,他们与史蒂夫·斯奎尔斯(Steve Squyres)合作,史蒂夫·斯奎尔斯(Steve Squyres)曾是火星探索漫游者、勇气号和机遇号的首席研究员,现在是蓝色起源的首席科学家。

“我们在 NASA JPL 以及 Steve 和蓝色起源团队的合作中获得了美妙的体验,”Hallinan 说。 “显然,在使用漫游车时,史蒂夫也带来了很多实用的知识,这是一个额外的好处。 我们每两周聚在一起讨论进展并探索新的前进方向。 我对新设计的结果非常满意。”

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蓝色起源的月球着陆器(蓝月亮)概念。 信用:蓝色起源

Hallinan 说,这四辆小型漫游车比他们之前的一些概念设计提供了更多的冗余。 此外,月球上的低温(低至 100 K)带来了挑战,但 JPL 的工程师为天线接收器带来了一种新设计,该天线接收器的电子设备可以在非常低的温度下工作,而无需增加额外的加热。

“我们还打算向我们提供多任务放射性同位素热发电机 (MMRTG) 为基站提供电力,但蓝月着陆器的解决方案也让我们能够朝着新的方向前进,”Hallinan 说。 “正如你所看到的 论文,新设计是一个重大改进。”

Hallinan 说,在这个相对简单的设计中可能不明显的一件事是,这个阵列在非常低的无线电频率下非常敏感。

“当你获得较低的无线电频率时,偶极子通常会变得更加敏感,”他解释说。 “然而,噪声的主要来源是来自自身星系的无线电发射,它非常明亮,并且在较低频率下以比偶极子变得更敏感的速度更快的速度变亮。 最重要的是,您通常在地面的较低频率下总体上变得不那么敏感! 然而,神奇的事情发生在大约 3 MHz。 星系变得“光学厚”并且在这个频率以下不会变得更亮。 但是偶极子会越来越好! 由于这种效应,阵列在 300 kHz 时的灵敏度是 3 MHz 时的 100 倍。”

哈利南补充说,夜间月球表面是内太阳系内唯一可以做到这一点的地方。

“在地球轨道上,来自太阳风的‘等离子噪声’是另一个完全占主导地位的噪声源,”他说。 “月球表面存在等离子体腔,特别是在夜间,这使得这成为可能。”

有了团队在设计上所做的所有工作,团队能多快将这个设计转变为真正的任务?

“如果我们今天启动下一个正式步骤,我们可以在 2028 年启动,”Hallinan 说。