由剑桥大学牵头的国际团队计划将紧凑型卫星CosmoCube送入环月轨道，以搜寻来自宇宙黑暗时代的氢信号。在月球背面，航天器在每次两小时轨道运行中约有40分钟可受到屏蔽，避开地球无线电干扰，从而有助于完成地球上无法实现的测量。这项任务可探测第一批恒星出现前的时期，并为暗物质在早期宇宙中的作用提供证据。
要点
- CosmoCube是一颗在英国开发的小型卫星，大小约相当于一个小型随身行李箱。
- 其设计目标是在宇宙黑暗时代和宇宙黎明期间观测氢原子发出的21厘米谱线。
- 卫星将在月球背面飞行、远离地球无线电噪声时，于10至50 MHz频段进行观测。
- 在预计为期两年的任务中，团队目标是收集1,000小时数据。
- 该项目已获英国航天局资助，研究人员希望能在五年内发射。
为什么要利用月球背面？
月球背面是CosmoCube观测策略的核心，因为航天器位于背面时，月体可阻挡来自地球的噪声。地面观测面临两项主要障碍：电离层会阻挡相关的低频信号，而调频广播、电信和卫星会带来干扰，足以淹没微弱的宇宙信号。
目标是大爆炸余晖与宇宙黎明之间、第一批恒星形成时期的氢原子21厘米谱线。团队将这一时期描述为大约持续1.5亿年，并称其尚未被直接观测到。若能探测到该信号，研究人员便可考察宇宙如何从黑暗、近乎空无的状态演变为今天所见的结构。
CosmoCube将测量什么，为什么重要？
CosmoCube将尝试利用在环月轨道展开的一根长而轻的天线，测量10至50 MHz频段早期氢产生的极微弱无线电辐射。这项测量可帮助研究人员研究首批恒星和星系的形成，并考察暗物质如何帮助氢在早期宇宙中聚集。
在经过月球背面时，卫星预计可获得观测该信号所需的屏蔽，同时仍能保持对太空的观测视野。该项目的科学计划还取决于将所寻信号与明亮得多的无线电前景分离，尤其是银河系的辐射。
这颗小卫星如何应对困难的测量
航天器将采用基于射频系统级芯片技术的全整合微型辐射计。它会通过Dicke开关校准器，反复将天空信号与内置参考源比较；这一过程旨在校正电子漂移和内部噪声，否则它们可能被误认为宇宙信号。
数据传回地球后，研究人员计划采用贝叶斯统计方法去除前景噪声。他们还计划将计算机模拟与飞行测量结合起来，重建天线在全天空范围内的响应，并扣除残余失真。
英国萨里卫星技术有限公司正在开发SSTL-21平台。仪器研发包括可运行的实验室原型和环境测试。剑桥大学的学术合作方包括朴茨茅斯大学和STFC RAL Space，并有来自马耳他的参与；团队还参加了欧洲航天局mini-Fast任务创意征集活动，该活动的目标是将任务成本控制在5,000万欧元以下。
这对研究人员和大学意味着什么
对研究人员而言，CosmoCube为在所需频率上无法由地面射电望远镜完成的观测提供了一条拟议路径。对参与的大学和研究机构而言，这项任务结合了宇宙学、射电仪器设计、航天器热测试、校准和统计数据分析。相关工作涉及剑桥大学、朴茨茅斯大学、STFC RAL Space、萨里卫星技术有限公司及国际合作伙伴。
保护宁静月球无线电环境的竞赛
月球背面正吸引射电天文学和其他任务更广泛的兴趣。CosmoCube团队指出，美国、印度和其他国家正计划利用月球的无线电静默环境，这意味着这一异常安静的观测环境未必会无限期维持不变。
这项拟议任务的细节于2026年发表于Nature Astronomy。相关工作部分获得英国航天局、卡弗里基金会和科学技术设施委员会的支持；后者隶属英国研究与创新署。
常见问题
为什么CosmoCube不能在地球上进行这些观测？
地球电离层会阻挡CosmoCube设计使用的10至50 MHz频率，广播、电信和卫星也会造成干扰。经过月球背面时，月球会处于航天器与地球之间，从而减少这些来自地球的噪声。
CosmoCube何时可能发射？
研究人员希望CosmoCube能在五年内发射。该项目已获得英国航天局资助，其仪器工作包括实验室原型、环境测试以及SSTL-21航天器平台的开发。
