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宇宙立方卫星的艺术想象图。图片来源：萨里空间技术有限公司

一个手提箱大小的卫星可以利用月球背面来搜寻宇宙中恒星形成之前的首个直接信号。

一颗不比小型随身行李箱大的卫星可能有助于研究一段从未被直接观测过的宇宙历史时期。CosmoCube由英国研发，旨在寻找宇宙第一批恒星开始发光之前约1.5亿年的宇宙黑暗时代所发生事件的证据。

由剑桥大学牵头，一个国际科学家团队计划将宇宙立方（CosmoCube）卫星送往月球周围，并利用月球背面作为天然屏障，以隔绝地球上产生的无线电干扰。从那里，这颗卫星将探测早期宇宙留下的极其微弱的信号。

被称为21厘米线的信号来自大爆炸余晖与宇宙黎明之间的时期的氢原子，这一时期核聚变点燃了第一批恒星。天文学家尚未直接观测到这个时代。

月球阻挡地球的无线电噪声

从地球搜索超过135亿年的信号极其困难。电离层会阻挡相关的无线电频率，而调频广播、卫星和通信会产生额外的干扰，可能会盖过微弱的宇宙信号。

月球为解决这两个问题提供了一种途径。在每两小时的轨道运行过程中，宇宙立方卫星（CosmoCube）会有大约40分钟位于月球背面，从而免受来自地球的无线电噪声干扰。在计划为期两年的任务中，研究人员预计这颗卫星将从宇宙历史上探索最少的时期之一积累大约1000小时的观测数据，从而为宇宙如何从黑暗、相对空旷的状态演变成如今所见的复杂宇宙提供线索。

该任务已获得英国航天局的资助，研究人员希望在五年内发射宇宙立方卫星。该项目详情已发表在《自然天文学》杂志上。

宇宙立方的一个代表性模型正在卢瑟福阿普尔顿实验室（RAL）空间中心进行热测试。图片来源：英国科学与技术设施理事会（STFC）卢瑟福阿普尔顿实验室空间中心

暗物质可能会留下早期印记

宇宙立方还旨在通过研究第一批恒星出现之前的情况，来探索暗物质。暗物质是一种无形的物质，其引力在星系的形成和维系过程中起着重要作用。

剑桥大学卡文迪许实验室的首席作者埃洛伊德拉拉阿塞多教授表示：氢元素在大爆炸之后、第一批恒星形成之前发出的这种辐射，有望让我们了解暗物质在早期宇宙中所起的作用，即它是如何促使氢元素聚集形成第一批恒星和星系的。

该卫星将观测10至50兆赫兹之间的极低频射电波，这一频段对于地面望远镜而言基本无法探测。正是这一限制，使得月球背面成为宇宙立方卫星的世外桃源，具有极高的价值。

没有其他地方能提供你检测如此微弱信号所需的那种屏蔽，同时还能观测整个太空，同样隶属于卡弗里宇宙学研究所的德拉莱拉阿塞多（deLeraAcedo）说，月球背面真的是唯一选择：它能同时解决多个问题，为观测宇宙早期打开一扇清晰的窗口。

微小信号需要精确校准

一旦CosmoCube进入月球轨道，它将部署一个长而轻便的无线电天线，该天线旨在当航天器经过月球背面时探测21厘米氢信号。

观测数据传回地球后，研究人员将应用先进的贝叶斯统计技术，从前景辐射中分离出所需信号，尤其是银河系内产生的无线电波。计算机模拟和在轨测量也将用于重建天线对天空不同区域的响应，以便消除剩余的失真。

除了科学层面，我们任务的独特之处在于规模：我们正在探索其他人尚未触及的黑暗时代最早期、最深处的部分，但使用的是一个紧凑且成本相对较低的平台，德莱拉阿塞多表示。

月球的寂静或许不会长久

月球背面的射电安静环境最终可能会变得更难保护。美国、印度等国家正在计划开展希望利用其异常安静条件的任务。

CosmoCube将搭载一款通过射频片上系统（RFSoCs）整合现代模拟与数字技术的全集成微型辐射计。其名为SSTL21的航天器平台由英国萨里空间技术有限公司（SSTL）开发，该公司专长于小型卫星制造。工作实验室原型已存在，环境测试正在进行中，且该项目包含与行业合作伙伴的协作。英国学术合作伙伴包括朴茨茅斯大学和STFCRAL空间中心，还有包括马耳他在内的欧盟国家参与。CosmoCube团队近期还参与了欧空局（ESA）迷你快速任务创意征集活动，目标是成本低于5000万欧元的任务。

CosmoCube正致力于在具有挑战性的环境中通过一颗小型卫星开展一些富有雄心的科学研究，而这需要一些巧妙的设计技术，STFCRALSpace的合著者威尔格兰杰博士表示。我们已与项目合作伙伴合作，开发了该卫星及其有效载荷的代表性模型。这些模型已在我们的设施中进行了测试，以确保其热性能能够让有效载荷在绕月轨道运行期间遇到的不同温度条件下正常工作，并完成所需的灵敏测量。未来，我们希望进一步开发完整的有效载荷，为完整任务做准备。

这可能会成为英国的一个真正的成功范例：硬件、软件、实施方式以及技术都在这里开发，而且它能帮助我们解答宇宙中最深刻的问题之一。德拉莱拉阿塞多说道。

这项工作得到了英国航天局、卡夫利基金会和科学技术设施理事会（STFC，英国研究与创新署（UKRI）的一部分）的部分支持。埃洛伊德拉阿塞多是剑桥大学塞尔文学院的研究员。

相关知识

恒星是由炽热气体组成、能自行发光的球状或类球状天体。在宇宙中，它们质量巨大，内部进行着核聚变反应，释放出惊人能量。太阳就是离地球最近的恒星，为地球提供光和热，是地球上生命存在的重要基础。众多恒星汇聚形成星系，点缀着浩瀚宇宙。

BY: University of Cambridge

FY: AI

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