在月球背面听收音机

宇宙中有未探索的区域，也有未探索的时代。事实上，我们的宇宙历史中有一个我们从未见过的近4亿年的间隙：在恒星出现之前的一段时期，被称为黑暗时代。为了调查那个时代，研究人员希望拾取无法从地球测量到的特定无线电信号。

聆听它的第一步是一个名为“月球表面电磁实验之夜”或“LuSEE-之夜”的探路项目。该实验计划于2025年前往月球，在恶劣的月球环境中测试技术。

该项目是美国宇航局和能源部之间的合作项目，合作伙伴包括劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)、布鲁克海文国家实验室(美国能源部牵头实验室)、加州大学伯克利分校和明尼苏达大学。伯克利实验室团队已经开始建造实验天线，尝试调谐那些古老的无线电波。

伯克利实验室博士后研究员卡贾·罗特蒙德(KajaRotermund)表示：“如果你在月球的另一侧，你就会拥有一个原始的、无线电安静的环境，你可以尝试从黑暗时代探测到这种信号。”在天线上。“LuSEE-Night的任务是展示我们是否可以从我们从未去过的位置以及我们从未能够观测到的频率范围进行此类观测。”

黑暗时代的信号无法从地球上测量，因为我们的大气层会在无线电信号到达地面仪器之前吸收、折射和反射无线电信号。即使可以，无线电信号也会被我们自己的电子设备和通信产生的噪音淹没。

月球充当盾牌，阻挡来自地球的无线电波。通过仅在两周的农历夜晚收集数据，该实验还可以阻挡来自太阳的无线电波。但这个偏僻的地方也带来了挑战。LuSEE-Night必须在-280华氏度左右的温度下运行，然后在农历白天经历高达250华氏度的极端波动，届时它将为电池充电。

而且由于月球的背面永远不会面对地球，因此与实验的直接通信是不可能的。LuSEE-Night必须通过头顶上空的中继卫星发送所有数据。

伯克利实验室天线项目的负责人铃木有时(AritokiSuzuki)表示：“仅在月球背面着陆科学仪器的工程就是一项巨大的成就。”“如果我们能够证明这是可能的——我们可以到达那里、部署并度过夜晚——那就可以为社区和未来的实验开辟新的领域。”

摇滚到黑暗时代

大爆炸后，宇宙充满了由漫游粒子组成的炽热、不透明的等离子体。大约40万年后，等离子体已经冷却到足以使质子和电子结合成氢，从而释放出光来穿越宇宙。这种被称为宇宙微波背景辐射(CMB)的光到达了我们的望远镜，为我们呈现了一幅宇宙的婴儿图。此后，氢气在黑暗时代占据了近四亿年的时间，直到宇宙黎明时第一批恒星和星系开始形成。

“通过宇宙微波背景，我们获得了早期宇宙的快照。一旦恒星诞生，我们也获得了最近宇宙的图像，”铃木说。“我们想研究黑暗时代，因为它连接了早期宇宙如何演化成我们今天看到的宇宙。”

研究人员预计氢会以特定频率吸收宇宙微波背景的部分能量。随着宇宙的膨胀，频率降低，现在可能以无线电波的形式被接收到。LuSEE-Night将监听0.5至50兆赫之间的频率，尽管未来可能需要更灵敏的实验来找到微弱的信号。

罗特蒙德说：“我们正在寻找这个非常微小的下降，这可能是黑暗时代的信号。”“我们可以学到很多关于这段时期所控制的宇宙学的知识，这种方式不受恒星和其他与一般宇宙相比生长非常不同的物体的影响。”

从实验室到月球

为了收集无线电波，LuSEE-Night将使用两对从尖端到尖端六米的天线，但整个实验必须在边长一米的立方体中传播到月球。一旦LuSEE-Night着陆，弹簧加载的“stacer”天线将展开到位。

为了制造用于月球航行的天线系统，伯克利实验室的研究人员从模拟和模型开始，然后转向构建和测试。

该团队带着一根天线的比例模型前往伯克利实验室一栋建筑的屋顶，该模型的尺寸从3米缩小到30厘米。他们使用发射器将信号发送到广阔空间的天线。

罗特蒙德说：“表征我们的天线非常重要，这样我们才能对所获得的信息充满信心，并以最有可能看到黑暗时代信号的方式设置天线。”该团队已经找到了最佳设计，模拟了天线的波束方向图，并校准了电子设备，以便他们能够知道接收到的信号有多强。

伯克利实验室团队还在建造一个转盘，可以定期旋转天线。由于研究人员预计黑暗时代的信号在各个方向上都是相同的，因此旋转后发生变化的任何信号基本上都可以从数据中过滤掉。这包括来自其他行星或星系的无线电噪声，甚至是由实验下方的岩石表面(“月球风化层”)引起的变化。

在夏季成功进行技术审查后，该团队目前正在与加州大学伯克利分校的空间科学实验室合作，构建前往月球的飞行模型。他们将在2024年1月之前交付最终的天线子系统，该子系统将与LuSEE-Night的其他组件集成，包括支撑其过夜的重达110磅(50公斤)的电池。该实验将通过萤火虫航空航天公司运营的未来商业月球有效载荷服务(CLPS)航班前往月球，并收集18个月的数据。