几个世纪以来，人类一直致力于研究恒星和天体，无论是通过肉眼观察，还是通过地面和太空中的望远镜来观测几乎整个电磁频谱的宇宙。每一种观测方式都揭示了太空居民的新信息——X射线脉冲星、伽马射线爆发——但仍然有一种观测方式缺失：低频射电天空。
突破电离层屏障
地球的电离层是一层含有带电粒子的大气层，它阻止了非常低频的无线电波通过。这使得基于地面的仪器无法观测这些波长。MIT林肯实验室、海斯塔克天文台和洛厄尔天文台的研究人员正在开发一个名为"长波天文台"(Great Observatory for Long Wavelengths, GO-LoW)的NASA资助概念研究，该项目概述了一种使用数千颗小型卫星星座来观测前所未见的低频宇宙的方法。
"GO-LoW将是一种新型望远镜，由成千上万的航天器组成，它们半自主地协同工作，仅需有限的地球输入，"GO-LoW项目首席研究员、海斯塔克天文台的Mary Knapp表示。"GO-LoW将让人类以新的视角观察宇宙，打开电磁频谱中最后的几个前沿领域之一。"
干涉法技术突破
长波长观测需要相应的大型望远镜，如果使用传统的碟形天线设计，望远镜需要数公里长。GO-LoW将使用干涉法——一种结合许多空间分离接收器信号的技术，当这些信号组合在一起时，将作为一个大型望远镜运行——以获取来自系外行星和其他太空源的高度详细数据。类似技术曾被用于拍摄第一张黑洞图像，以及最近的第一张已知系外辐射带图像。
洛厄尔天文台的团队成员Melodie Kao表示，这些数据可能揭示系外行星的构成和生命潜力。"[系外行星周围的射电极光]携带重要信息，例如行星是否有磁场，磁场强度如何，行星旋转速度如何，甚至关于行星内部结构的线索，"她说。"研究系外行星射电极光及其所追踪的磁场是宜居性之谜的重要部分，也是GO-LoW的关键科学目标。"
卫星星座架构
GO-LoW星座将分几次连续发射建造，每次发射包含数千航天器。一旦到达近地轨道，航天器将在前往最终目的地——地球-太阳拉格朗日点之前进行燃料补给，然后在那里部署。拉格朗日点是太空中两个大天体（如太阳和地球）引力处于平衡的区域，航天器只需消耗最少的燃料即可维持相对于两个较大天体的位置。在这个远离地球的地方（1个天文单位，约9300万英里），无线电干扰也会少得多，否则这些干扰会掩盖GO-LoW的敏感测量。
"GO-LoW将采用分层架构，包含数千个小型监听节点和较少数量的 larger 通信和计算节点(CCNs)，"林肯实验室应用空间系统组的团队成员Kat Kononov说。节点指的是星座中的单个小型卫星。"监听节点是小型、相对简单的3U立方体卫星——大约一个面包大小——它们使用低频天线收集数据，将其存储在内存中，并通过无线电链路定期将其发送到它们的通信和计算节点。相比之下，CCNs大约迷你冰箱大小。"
科学目标与意义
CCN将跟踪其附近监听节点的位置；收集并减少来自各自监听节点（约100个）的数据；然后将这些数据传回地球，在那里可以进行更密集的数据处理。
在完全部署的情况下，拥有约10万个监听节点的GO-LoW星座应该能够观测到太阳系内具有磁场的系外行星——在5到10秒差距范围内——其中许多是首次被观测到。
GO-LoW研究团队最近发表了他们第一阶段研究结果，确定了一种称为矢量传感器的先进天线类型为此应用的最佳选择。2024年，林肯实验室设计了一种适合在太空使用的紧凑型可部署传感器版本。
技术挑战与未来
团队现在正在进行项目的第二阶段，即构建星座操作的多智能体仿真。
"我们在第一阶段研究中了解到，GO-LoW的难点不是任何特定技术……难点在于系统：系统工程和运行系统的自主性，"Knapp说。"那么，我们如何构建这个星座，使其成为一个可管理的问题？这就是我们在这项研究的下一部分中要探索的内容。"
GO-LoW是林肯实验室众多民用太空计划之一，旨在利用最初为国家安全开发的高级技术来支持科学和社会的新太空任务。"通过将这些能力适应为新的利益相关者服务，该实验室有助于开辟新的发现前沿，同时建立具有弹性、成本效益的系统，造福国家和世界，"林肯实验室民用空间系统与技术办公室副主任Laura Kennedy说。
"就像1969年登陆月球，或在1990年代发射哈勃望远镜一样，GO-LoW envisioned让我们看到前所未见的事物并产生科学突破，"Kononov说。
项目合作与进展
GO-LoW是林肯实验室、海斯塔克天文台和洛厄尔大学的合作项目，还包括LeafLabs的Lenny Paritsky和康奈尔大学的Jacob Turner。
GO-LoW项目的独特之处在于它将多种前沿技术融合在一起：小型卫星技术、先进天线设计、分布式计算和自主系统管理。这种组合使得科学家能够以前所未有的方式探索宇宙。
低频天文学的未来
低频天文学长期以来一直面临技术挑战，因为地球的电离层会阻挡这些波长。GO-LoW项目将首次使科学家能够系统地研究这些低频信号，这可能会揭示关于宇宙早期结构、星系演化、行星磁场形成等关键信息。
随着项目的推进，研究人员预计将发现更多关于系外行星系统的信息，包括它们的磁场如何保护其表面免受恒星风的影响，这对于评估行星的宜居性至关重要。此外，低频观测还可能揭示关于暗物质、暗能量以及宇宙大爆炸后早期宇宙结构的信息。
GO-LoW项目的成功实施将标志着天文学进入一个新时代，使科学家能够探索电磁频谱中最后一个未被充分研究的领域，为理解宇宙的基本性质提供新的见解。
