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谱。每种观测方式都解锁了关于天体居民的新信息——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。
低频观测的挑战与突破
来自MIT林肯实验室、MIT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长大型天文台(Great Observatory for Long Wavelengths，简称GO-LoW)的NASA资助概念研究，该项目概述了一种利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，只需有限的地面输入，"GO-LoW项目首席研究员、MIT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，开启电磁谱中最后的前沿之一。"
观测低频射电天空的困难来自地球的电离层，这是大气中包含带电粒子的一层，它阻止了极低频无线电波穿过。因此，需要基于空间的仪器来观测这些波长。另一个挑战是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，需要建造数公里长的望远镜。
干涉测量技术的革命性应用
GO-LoW将使用干涉测量技术——一种结合多个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工作——从系外行星和其他太空来源获取高度详细的数据。类似技术曾被用于拍摄第一张黑洞图像，以及最近拍摄已知系外行星辐射带的第一张详细图像。
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构成和生命潜力的细节。"系外行星周围的射电波极光携带重要信息，例如行星是否有磁场、磁场强度如何、行星旋转速度，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谜题的重要部分，也是GO-LoW的关键科学目标。"
技术实现：从微小卫星到巨型星座
GO-LoW星座将通过几次连续发射建造，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充。拉格朗日点是太空中两个大天体（如太阳和地球）引力平衡的区域，航天器只需消耗少量燃料即可维持相对于这两个较大天体的位置。
在远离地球（1天文单位，约9300万英里）的地方，也会减少可能掩盖GO-LoW敏感测量的射电干扰。
"GO-LoW将采用分层架构，包含数千个小型监听节点和少量大型通信与计算节点(CCNs)，"林肯实验室应用空间系统组的团队成员Kat Kononov表示。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立方卫星——大约一条面包大小——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大约相当于一个小型冰箱的大小。
CCN将跟踪其区域内监听节点的位置；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。
科学目标：探索系外行星与宇宙奥秘
在完全运行状态下，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——其中许多将是首次被观测到。
GO-LoW研究团队最近发表了他们第一阶段研究成果，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展开版本传感器。
团队现在正在开展项目的第二阶段，即构建星座运行的多代理仿真。
"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表示。"因此，我们如何构建这个星座使其成为一个可管理的问题？这就是我们在研究下一部分内容时正在探索的。"
行业影响与未来展望
GO-LoW是林肯实验室众多民用太空计划之一，这些计划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。"通过调整这些能力来服务新的利益相关者，实验室帮助开辟新的发现前沿，同时构建具有弹性和成本效益的系统，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表示。
"就像1969年登月或1990年代发射哈勃望远镜一样，GO-LoW有望让我们看到前所未见的事物并产生科学突破，"Kononov补充道。
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，同时还有LeafLabs的Lenny Paritsky和康奈尔大学的Jacob Turner参与。
图：GO-LoW望远镜的创新方法使用小型卫星星座研究发射低频无线电波的太空物体
图：通信和计算节点收集多达100个小型监听节点的数据，然后将聚合数据发送回地球
技术挑战与创新解决方案
GO-LoW项目的核心挑战在于系统工程的复杂性和自主运行的需求。传统的大型望远镜在低频观测中面临物理限制，而GO-LoW通过分布式卫星网络解决了这一难题。
研究人员开发了一种特殊的矢量传感器，能够有效捕获低频无线电信号。这种传感器经过优化，可以在太空环境中部署和运行，同时保持高灵敏度和准确性。
星座的自主运行是另一个关键技术突破。每颗卫星都需要能够独立决策，同时与其他卫星协调工作，形成统一的观测系统。这种自主性减少了地面控制的需求，使整个系统更加高效和可靠。
科学意义与应用前景
GO-LoW项目的科学意义深远。通过观测低频无线电波，科学家可以研究一系列前所未有的宇宙现象，包括：
- 系外行星磁场：探测系外行星的磁场特征，了解其行星内部结构和演化过程。
- 宇宙早期结构：观测宇宙早期形成的结构，揭示大尺度宇宙结构的形成机制。
- 暗物质与暗能量：通过低频射电观测，间接研究暗物质和暗能量的分布和性质。
- 太阳系外行星系统：研究其他恒星周围的行星系统，寻找可能存在生命的行星。
GO-LoW不仅推动了天文学的发展，也为其他领域的科学研究提供了新的工具和方法。其技术成果可以应用于地球观测、通信系统、导航技术等多个领域，具有广泛的应用前景。
项目进展与未来计划
目前，GO-LoW项目已经完成了第一阶段的研究，确定了关键技术方向和系统架构。团队正在开展第二阶段的工作，重点是构建星座运行的多代理仿真系统，验证系统的可行性和有效性。
未来几年，GO-LoW团队计划：
- 完成关键技术的详细设计和测试
- 开发原型卫星并进行地面测试
- 制定完整的发射和部署计划
- 建立数据处理和分析框架
GO-LoW代表了太空观测技术的一次重大飞跃，它不仅将改变我们对宇宙的理解，还将为未来的太空探索开辟新的可能性。随着项目的推进，我们有理由期待更多关于宇宙奥秘的惊人发现。
结语
GO-LoW项目展示了人类探索宇宙的创新精神和不懈努力。通过结合最新的卫星技术、先进的观测方法和自主系统设计，这个项目有望开启天文学研究的新篇章。随着项目的推进，我们期待GO-LoW能够揭示更多关于宇宙的奥秘，为人类对宇宙的理解带来革命性的突破。
