一颗由英国开发的微型卫星，大小大约相当于一个小型登机行李箱，可能有助于回答宇宙学中最大的一个问题：在宇宙首批恒星出现之前的约1.5亿年的宇宙黑暗时代发生了什么？一个国际科学团队，由剑桥大学领导，将利用月球的背面作为“屏障”，使这颗名为CosmoCube的卫星能够屏蔽来自地球的所有噪音，并监听来自早期宇宙的微弱信号。这种信号被称为21厘米线，是在大爆炸余晖与宇宙黎明之间，氢原子发出的信号，那时核聚变点亮了第一批恒星。此前没有人直接观察到这一时期。使用地面望远镜检测到这个距今超过135亿年的信号是极其困难的，因为地球的电离层阻挡了合适的频率，来自FM广播、卫星和电信的干扰掩盖了这个信号。然而，月球提供了一个天然的屏障。当CosmoCube绕月球远端运行时，在每两个小时的轨道中大约有40分钟的时间能够避免地球的所有噪音。在预期的两年任务中，它将为宇宙最后一个未探测的时期积累1000小时的数据，帮助我们理解宇宙如何从黑暗和几乎空虚的状态转变为我们今天所见的复杂性。该任务已获得英国航天局的资金支持，研究人员希望CosmoCube能在未来五年内发射。相关细节已在《自然·天文学》期刊上发表。除了探索第一批恒星之前的宇宙，CosmoCube还将探讨暗物质的作用——这是一个神秘的力量，它将星系结合在一起。“这种来自氢的发射，发生在大爆炸之后，但在第一批恒星出现之前，希望能够让我们理解暗物质在早期宇宙中的作用，以及它是如何将氢聚集成第一批恒星和星系的，”剑桥大学卡文迪什实验室的首席作者Eloy de Lera Acedo教授说。为了研究这一时期，CosmoCube将在10到50 MHz之间以极低的频率运行，远远超出地面望远镜的频率范围，这就是为什么月球将作为CosmoCube的“孤独堡垒”。“没有其他地方可以提供你所需的屏蔽，以便检测到如此微弱的信号，同时又能观察整个宇宙空间，”de Lera Acedo说，他还与卡夫利宇宙学研究所有关联。“月球的远端真的是唯一的选择：它一次性解决多个问题，打开了通往早期宇宙的清晰窗口。”一旦进入月球轨道，CosmoCube将展开一根长而轻的无线电天线，能够敏感地检测到来自早期宇宙中氢原子的21厘米信号，这种信号是在卫星处于月球远端时发出的。在月球轨道期间，CosmoCube将不断利用‘Dicke-switch’校准器检查并校正自身电子设备，校准器将在天空和几个内置的参考源之间切换。这将有助于消除卫星内部可能伪装成宇宙信号的微小漂移和噪音。一旦CosmoCube的数据返回地球，团队将采用先进的贝叶斯统计方法来去除前景噪音——主要是来自我们自己银河系的无线电发射。他们还将使用计算机模拟和在飞行中的测量重建天线对天空不同部分的响应，从而允许他们减去任何剩余的失真。“除了科学，令我们的任务独特的是它的规模：我们正在深入探索其他人无法到达的黑暗时代的最早、最深的部分，但使用的是紧凑且相对低成本的平台，”de Lera Acedo说。然而，月球的远端可能不会安静太久：美国、印度和其他国家正在规划其他任务，以利用月球的安静。CosmoCube配备了一流的完全集成微型辐射计，使用最新的模拟和数字技术，所谓的RF系统芯片（RFSoCs）。CosmoCube航天平台（‘SSTL-21’）正在英国由萨里航天技术有限公司（SSTL）开发，该公司专门生产小型卫星。仪器开发正在顺利进行中，已经有功能实验室原型，并进行环境测试，并与行业合作伙伴进行关键合作。在英国，学术合作伙伴包括朴茨茅斯大学和STFC RAL空间实验室，还包括来自欧盟国家如马耳他的参与。CosmoCube团队最近参加了欧洲航天局（ESA）迷你快速任务创意征集，目标是将任务成本控制在5000万欧元以下。“CosmoCube旨在从一个非常小的卫星在一个具有挑战性的环境中开展一些雄心勃勃的科学，这需要一些巧妙的设计技术，”作者之一的Will博士说。