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近日，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)和國家天文臺(tái)的科研團(tuán)隊(duì)在宇宙黎明時(shí)期21厘米氫信號(hào)探測領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果于2025年3月26日在線發(fā)表在澳大利亞天文學(xué)會(huì)出版物PASA。

宇宙黎明時(shí)期的21厘米信號(hào)是揭示該時(shí)期第一代天體形成奧秘的關(guān)鍵探針，然而由于來自銀河系和河外星系的強(qiáng)烈射電信號(hào)影響，探測21厘米信號(hào)就像是在背光嚴(yán)重的情況下照相。要探測到微弱的21厘米信號(hào)，需要在電磁環(huán)境極其優(yōu)良的環(huán)境開展探測實(shí)驗(yàn)。然而無論是地球還是太陽，都會(huì)給探測實(shí)驗(yàn)帶來極大干擾。

鴻蒙計(jì)劃創(chuàng)新性地提出利用月球背面的獨(dú)特環(huán)境進(jìn)行宇宙黎明時(shí)期21厘米氫信號(hào)的探測。該計(jì)劃采用“1+9”衛(wèi)星編隊(duì)方案，由1顆領(lǐng)隊(duì)衛(wèi)星和9顆子衛(wèi)星組成太空觀測陣列。其中，高頻子星搭載新型“雪糕筒天線”，專門負(fù)責(zé)30-120MHz頻段的信號(hào)捕捉。

如上圖所示，是“雪糕筒天線”在月球軌道可能看到的全天的射電天空模型，四張圖分別對應(yīng)月球在四個(gè)不同的相對位置，其中較暗的區(qū)域是月球。可見月球不僅會(huì)遮擋電磁波，同時(shí)也會(huì)進(jìn)行反射，像一面反光板，將來自天空的電磁波反射到在月球軌道運(yùn)行的天線上。

月球背面具有三大觀測優(yōu)勢：直徑約3476公里的月球本體可完美屏蔽地球無線電噪音；月夜期間可有效屏蔽太陽低頻輻射；無大氣層和電離層的干擾，確保信號(hào)探測的穩(wěn)定性。但是月球背面的環(huán)境和地球上有很大的不同，月球的輻射和可能的射頻干擾，就像是攝影棚里額外的反光板和擋在鏡頭前的雜物，都使得探測加倍困難，需要深入的理論研究。

論文第一作者，上海天文臺(tái)博士生劉天陽說：“雖然月球背面的電磁環(huán)境幾乎是整個(gè)太陽系最好的，但是以前的實(shí)驗(yàn)都是在地面做的，在月球軌道會(huì)遇到些什么新的問題，未知數(shù)很多，我們必須未雨綢繆。”

在該研究中，上海天文臺(tái)和國家天文臺(tái)組成的合作研究團(tuán)隊(duì)仔細(xì)考察了在月球軌道上探測宇宙黎明時(shí)期信號(hào)的主要干擾。這些干擾包括了月球反射和熱輻射，強(qiáng)射頻干擾，弱射頻干擾等。研究團(tuán)隊(duì)拓展了VZOP（可變零階項(xiàng)多項(xiàng)式）算法在月球軌道的應(yīng)用，該算法具有精準(zhǔn)建模、動(dòng)態(tài)修容和智能去噪三大特點(diǎn)，可有效去除前景輻射干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高保真還原。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，通過103天（繞月1080圈）的持續(xù)觀測，即可將熱噪聲降到遠(yuǎn)低于21厘米信號(hào)的水平。

論文通訊作者，上海天文臺(tái)張佳駿副研究員表示：“可以說，地面試驗(yàn)對于探測宇宙黎明時(shí)期的21厘米信號(hào)的爭議將會(huì)在鴻蒙計(jì)劃的觀測之后得到終結(jié)。在太陽系最優(yōu)良的觀測環(huán)境中，在月球軌道的衛(wèi)星將明確告訴我們，宇宙黎明的真容究竟如何。”

該研究得到了科技部，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1017/pasa.2025.17

科學(xué)聯(lián)系人：張佳駿 jjzhang@shao.ac.cn