行李箱大小卫星CosmoCube将绕月探测宇宙黑暗时代

据剑桥大学2026年9月28日发布的新闻稿及同日发表在《自然·天文学》上的论文，一个名为CosmoCube的微型卫星即将开启前所未有的太空任务。这颗卫星仅相当于一个手提箱大小，计划在未来五年内发射至月球轨道。当它飞至月球背面时，将利用月体屏蔽地球强烈的无线电干扰，捕捉来自宇宙黑暗时代——即第一批恒星诞生之前约1.5亿年——的极微弱信号。如果成功，人类将首次直接窥见这片长达亿年的“宇宙空白期”，并可能揭示暗物质如何为第一批星系铺路。

什么是宇宙黑暗时代？

宇宙大爆炸发生之后约38万年，宇宙温度下降至足以让电子与质子结合形成中性氢原子。此后，宇宙进入一段没有恒星、没有星系、仅有均匀分布的中性氢气体的漫长时期，称为“宇宙黑暗时代”（Cosmic Dark Ages）。直到约1.5亿年后，引力作用下氢气体开始坍缩，第一批恒星与星系诞生，宇宙才迎来“宇宙黎明”。这段黑暗时期是宇宙学中最后一块未被直接观测的拼图。剑桥大学卡文迪什实验室的Eloy de Lera Acedo教授指出：“大爆炸后、第一批恒星形成之前的氢原子发射信号，将帮助我们理解暗物质在早期宇宙中如何将氢拉拢形成第一批恒星与星系。”

21厘米信号：来自黑暗时代的“回声”

在黑暗时代，大量中性氢原子不断辐射波长为21厘米的射电信号（对应频率约1420 MHz）。随着宇宙膨胀，该信号被拉伸至更长的波长。今天，来自宇宙黑暗时代的21厘米信号已红移到10–50 MHz频段——这个频率恰好被地球电离层完全阻挡，同时也被FM广播、卫星通信等人造信号淹没。因此，地面无法探测到它。根据《自然·天文学》论文，CosmoCube将专门监听10–50 MHz频段，从月球背面接收这段来自130亿年前的“宇宙最低音”。

CosmoCube如何工作？

CosmoCube任务关键参数

当CosmoCube进入月球轨道后，首先将展开一根轻量长天线。每圈飞至月球背面时，天线开始记录天空信号；同时，机内Dicke开关校准器会交替测量天空和内部参考源，以剔除卫星自身产生的微小电子漂移。数据传回地球后，将使用高级贝叶斯统计方法从银河系前景辐射等强信号中分离出黑暗时代的21厘米信号。

月球：天然射电静默区

地球周围充斥着各类无线电噪声：调频广播、电视信号、雷达、GPS以及数万颗卫星的下行链路。这些干扰比目标信号强数百万倍。太阳系内，只有月球背面能提供持续稳定的“射电屏蔽”。de Lera Acedo教授表示：“没有其他地方能在屏蔽干扰的同时还让你观测整个天空。月球背面是唯一的选择——它一次性解决了多个问题，为早期宇宙打开了一扇干净的窗口。”未来几年，美国、印度等国也计划在月球背面部署射电天文设备，争夺这片珍贵的静默区。

小型卫星的雄心：低成本撬动大科学

CosmoCube的独特之处不仅在于其科学目标，更在于实现路径。它采用英国Surrey空间技术有限公司（SSTL）开发的SSTL-21小卫星平台，集成微型辐射计与先进射频系统芯片（RFSoC）。工作样机已在实验室完成，环境测试正在进行中。合作伙伴包括朴茨茅斯大学、STFC RAL Space以及马耳他等欧洲研究机构。该团队近期参加了欧空局（ESA）的“快速任务”征集，预算控制在5000万欧元以内。STFC RAL Space的Will Grainger博士说：“CosmoCube试图用一颗非常小的卫星在充满挑战的环境中完成雄心勃勃的科学任务，这需要巧妙的设计。我们建立了卫星和载荷的代表模型，在设施中测试了热性能，确保载荷能在月球轨道不同温度条件下进行灵敏测量。”

FAQ：关于CosmoCube的常见问题

Q1: CosmoCube与已有的月球任务（如NASA的Lunar Gateway）有何不同？

A1: 已有月球任务主要关注载人探索或资源调查，而CosmoCube是首颗专门为探测宇宙黑暗时代设计的科学卫星。它利用月球背面天然屏蔽地球无线电噪声，专注监听极低频率（10–50 MHz）的21厘米信号，填补了天文学对宇宙早期历史直接观测的空白。其行李大小的体积和低于5000万欧元的成本也使其属于一类全新的“低成本深空探索”模式。

Q2: 为什么不能在地球轨道或地面完成这个任务？

A2: 地球电离层会完全反射10–50 MHz的无线电波，地面根本无法接收到这些信号；近地轨道上数万颗卫星和地面的FM广播、雷达等干扰比目标信号强百万倍以上。月球背面是太阳系内唯一能同时满足“屏蔽地球无线电干扰”和“保持全天区视野”的地点。即使未来月球基地建成，背面区域也需严格保护为射电静默区。

展望未来：开启宇宙黑暗时代新窗口

若CosmoCube成功探测到黑暗时代的21厘米信号，将标志着人类对宇宙认识的一次飞跃——它可能直接描绘出暗物质如何驱动第一批星系形成，并验证关于早期宇宙结构的理论模型。这项由英国主导、国际合作的“箱式卫星”任务，有望证明重大宇宙学发现并不一定需要巨型太空望远镜，巧妙的选址与先进的小型化技术同样能撬动根本性的科学突破。