Телескопы на обратной стороне Луны откроют тайны ранней Вселенной
Обратная сторона Луны может стать нашим новым лучшим местом для изучения истории космоса. В течение следующего десятилетия астрономы планируют провести беспрецедентные наблюдения за ранней Вселенной с невидимой нам стороны Луны с помощью радиотелескопов, установленных на орбитальных аппаратах, а также роботизированных вездеходов нового поколения.
Эти аппараты будут изучать первые полмиллиарда лет Вселенной, несколько сотен миллионов из которых составляют так называемые космические «темные века», когда первые звезды и галактики еще не сформировались. В отсутствие звездного света эта эпоха невидима для оптических наблюдений. Однако радиотелескопы могут настраиваться на длинноволновое низкочастотное радиоизлучение, создаваемое гигантскими облаками нейтрального водорода, которые тогда заполняли Вселенную. Но их сложно, а то и совершенно невозможно обнаружить с Земли, потому что они либо блокируются или искажаются атмосферой нашей планеты, либо поглощаются радиошумом, создаваемым человеком.
Ученые десятилетиями мечтали об исследованиях, которые могут проводиться на обратной стороне Луны, где они были бы защищены от земных радиопередач и не были бы искажены атмосферой, препятствующей изучению ранней Вселенной. Теперь, когда несколько космических миссии уже работают на обратной стороне Луны, эти мечты должны стать реальностью.
«Если бы я проектировал идеальное место для низкочастотной радиообсверватории, мне пришлось бы построить Луну», — шутит астрофизик Джек Бернс из Университета Колорадо в Боулдере. «Мы только сейчас, наконец, добрались до того места на Луне, где имеет смысл устанавливать такие телескопы».
Исследование раннего водорода
Идея о том, что телескопы могут обнаруживать нейтральный водород, восходит к 1940-м годам, когда голландский астроном Хендрик Кристоффель ван де Хюльст предсказал, что атомы водорода могут спонтанно испускать импульсы электромагнитного излучения. Это происходит потому, что каждый атом водорода может переключаться между двумя энергетическими состояниями, испуская или поглощая излучение с длиной волны 21 сантиметр (или частотой 1420 мегагерц). Такие переключения являются «сердцебиением» водорода и могут складываться в обнаруживаемые сигналы, когда облака газа разрастаются в космических масштабах.
Первые такие сигналы должны были появиться примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла настолько, что протоны и электроны, которые ранее заполняли пространство, смогли начать сливаться в атомы водорода. Помимо формирования исходного химического элемента, из которого возникли все последующие, это событие также сделало Вселенную по существу прозрачной, позволив реликтовому излучению Большого взрыва распространяться через космос.
Теперь мы видим это излучение — послесвечение Большого взрыва — как космический микроволновый фон. После этого нейтральный водород наполнял темную Вселенную примерно 100 миллионов лет, пока не наступил рассвет, когда начали сиять первые звезды и галактики.
Космологов особенно интересуют темные века, потому что они позволяют взглянуть на Вселенную, когда она была относительно нетронутой и свободной от сбивающих с толку астрофизических эффектов от звезд и галактик. Тогда распределение нейтрального водорода все еще несло на себе отпечатки первичных квантовых флуктуаций, которые были значительно усилены быстрым расширением Вселенной в первые доли секунды ее истории.
Предположительно, 21-сантиметровые сигналы темных веков могут нести указания на новую физику или же отклонения от стандартной космологической модели. «Это площадка для проверки наших теорий», — говорит Бернс.
Самые первые радиотелескопы на обратной стороне Луны и вокруг нее будут простыми. По сути их цель — доказать, что в наших силах уловить это слабое излучение водорода на частоте 1420 МГц. И, если все пойдет по плану, появятся более сложные телескопы, которые позволят астрономам создавать детализированные динамические карты древних водородных облаков с высоким разрешением.
Два основных состояния нейтрального водорода.
«В нейтральном водороде хорошо то, что это не просто снимок во времени, как реликтовое излучение», — говорит Кристиан Зарб Адами из Оксфордского университета. Отслеживая колеблющийся 21-сантиметровый сигнал во времени, телескопы могут отображать эволюцию ранней Вселенной на протяжении всех темных веков вплоть до космического рассвета и даже слегка за его пределами.
После рассвета наступает эпоха реионизации, когда излучение первых массивных звезд и другие сильные астрофизические явления достаточно нагревают оставшийся нейтральный водород, чтобы превратить его обратно в плазму. Это событие окончательно прекратило излучение на частоте 1420 МГц.
Пионеры лунной радиоастрономии
У нас уже есть работающий зонд на обратной стороне Луны — китайский Чанъэ-4, который стал первым аппаратом, сумевшим совершить там мягкую посадку. Разумеется, чтобы передавать с него сигналы на Землю, нужен орбитальный аппарат — им стал Цюэцяо, запущенный годом ранее.
Оба зонда имеют радиоантенны, теоретически способные работать в гигагерцовом диапазоне, однако на Цюэцао они не развернуты полностью, а работе единственной антенны на Чанъэ-4 мешают радиочастотные помехи от электроники посадочного модуля. Но, разумеется, будущие лунные космические аппараты для исследования темных веков будут включать дополнительную защиту для минимизации радиопомех, а также смогут размещать несколько антенн на десятках или даже сотнях километров лунного грунта.
Следующий подготовительный этап для астрономии на обратной стороне Луны должен начаться с запуском ROLSES (Radiowave Observations at the Lunar Surface of the Photoelectron Sheath, Радиоволновой наблюдатель на лунной поверхности с фотоэлектронной оболочкой) в октябре 2021 года. ROLSES отправится на Луну в составе посадочного модуля частной разработки, лицензированного НАСА как часть программы по коммерческой доставке полезных грузов на наш спутник.
Так выглядит аппарат IM-1, который и доставит ROLSES на Луну.
И, хотя зонд приземлится в районе океана Бурь на ближней стороне Луны, задача ROLSES по изучению собственного радиоизлучения Луны имеет решающее значение для будущей работы радиообсерваторий на обратной стороне. «Все идет по плану», — говорит Бернс, член команды ROLSES. «Я работаю над этим 35 лет. Лунная радиоастрономия становится реальной».
Еще одна миссия по изучению радиопомех на Луне, Лунный поверхностный электромагнитный эксперимент (LuSEE), планируется запустить уже в 2024 году. «LuSEE будет работать на дальней стороне [Луны]», — говорит Бернс. «Работа будет происходить в ударном бассейне Шредингера».
Посадочный модуль, несущий LuSEE, может также иметь другую полезную нагрузку: DAPPER (Dark Ages Polarimeter Pathfinder), телескоп для обнаружения 21-сантиметрового сигнала из космических темных веков. «DAPPER изначально проектировался как часть орбитального лунного аппарата, но он может работать и в этом посадочном модуле», — говорит Бернс. «НАСА профинансировало нашу работу над концепцией миссии DAPPER. Мы будем готовы к запуску».
Независимо от того, находится ли он на орбите или на поверхности Луны, возможности DAPPER будут ограничены набором дипольных антенн в одном месте. Но существуют более амбициозные планы по размещению на Луне антенных решеток. Такие решетки, объединяющие сигналы от отдельных антенн, разнесенных на большие расстояния, действуют как телескопы с разрешением, намного большим, чем это было бы возможно с одной антенной, что позволяет им получать более детализированные снимки космических объектов.
Концепт DAPPER на орбите Луны.
Будущее лунной радиоастрономии
Сюэлей Чен из Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук считает, что лунная орбита является лучшим местом в ближайшем будущем для картографирования древних водородных облаков путем создания массивов спутников. Антенны на нескольких спутниках могут быть объединены в массив, который будет проводить наблюдения, когда все спутники находятся над обратной стороной Луны. «Это относительно простой эксперимент с умеренными затратами, и мы вполне можем выполнить его с помощью современных технологий», — говорит Чен.
Предварительный план предполагает, что группировка из пяти-восьми спутников будет летать в тщательно выстроенном порядке, чтобы сформировать массив. Один из спутников при этом будет «базой», на которой будет размещаться большая часть электроники для приема и комбинирования сигналов от других спутников, а также для передачи результатов на Землю. «Такую орбитальную группировку будет легко улучшать в будущем, добавив новые спутники», — говорит Чен.
Размещение такого массива зондов на дальней стороне Луны будет намного более сложной задачей по многим причинам, в том числе из-за пересеченной местности на нашем спутнике и опасного для космического корабля холода в течение 14-дневной лунной ночи. Чтобы начать подготовку к таким масштабным проектам, команда Бернара Фоинга, планетолога из Университета Амстердама, планирует протестировать развертывание радиоантенн с помощью роботов-вездеходов, разработанных Немецким аэрокосмическим центром.
Испытания состоятся в июне на склонах Этны, действующего вулкана на Сицилии, который служит земным аналогом поверхности Луны. Такие луноходы будут управляться дистанционно, и они будут нести по четыре коробки с антеннами. «Мы разместим их в различных конфигурациях, чтобы показать, что мы сможем сделать это в будущем на Луне», — говорит Фоинг.
Концепт лунохода, который может «раскладывать» антенны по поверхности Луны.
Другой способ разместить радиомассив на обратной стороне Луны — просто сбросить антенны с орбитального аппарата в нужных точках. Адами и его коллеги работают над одной из таких идей: их конструкция низкочастотного интерферометра, оптимизированная для регистрации радиоизлучений в широком диапазоне частот, включает 128 фрактальных «мини-приемников». Каждый приемник имеет восемь плеч, и каждое плечо объединяет 16 спиральных антенн.
Чтобы сделать процесс максимально надежным и простым, команда Адами разработала способ печати эти антенн. «Вы можете печатать антенны так же быстро, как печатаете газеты. Мы тестировали эту технологию последние четыре или пять лет», — говорит Адами. «Мы находимся в процессе создания прототипа таких спиральных антенн». Следующим шагом, по его словам, будет создание полноценных мини-приемников и их сброс с дронов в отдаленных регионах, например в засушливом районе Западной Австралии, чтобы посмотреть, сможет ли она развернуться и работать.
Тем временем Бернс также возглавляет финансируемое НАСА концептуальное исследование по созданию еще одного лунного радиотелескопа, метко названного FARSIDE (дословный перевод — дальняя сторона, «нормальный» перевод — Дальний массив для радионаучных исследований темных веков и экзопланет). Чтобы спроектировать FARSIDE, Бернс и его коллега Грегг Халлинан из Калифорнийского технологического института объединились с Лабораторией реактивного движения НАСА.
Ученые планируют доставить на обратную сторону Луны полезную нагрузку из четырех марсоходов и 256 антенн общим весом около полутора тонн с использованием лунных посадочных устройств, разрабатываемых НАСА. Луноходы развернут антенны, соединенные тросами, разложив их в виде четырех гигантских лепестков на территории диаметром 10 километров. «Мы можем сделать это с помощью современных технологий», — говорит Бернс. «Так что все это выглядит очень правдоподобно [на] конец текущего десятилетия».
Источник
Alpha Centauri
Alexander Minkin · Статьи · 28 мая, 2021 2312
Телескопы на обратной стороне Луны могут пролить свет на события ранней Вселенной
Инструменты, которые будут использоваться в миссиях на обратной стороне Луны, предоставят нам беспрецедентный взгляд на тёмную эпоху развития ранней Вселенной.
Обратная сторона Луны – это необычная и непривычная территория, которая сильно отличается от знакомой нам видимой стороны спутника Земли. В 1959-м году советский космический зонд «Луна-3» сделал первые фотографии этой скрытой области. Вместо лунных «морей» на снимках было получено множество горных хребтов, кратеров и впадин. В недалёком будущем эта местность станет ещё более необычной: во многих кратерах будут размещены радиотелескопы, роботы-вездеходы, их обслуживающие и лунные орбитальные аппараты, которые будут передавать полученную информацию от радиотелескопов на Землю.
Астрономы планируют разместить на обратной стороне Луны новейшую обсерваторию, которая позволит приоткрыть завесу тёмной космической эпохи. Наша Вселенная не всегда была полна яркими звёздами и галактиками, которые сияют сегодня на земном небосводе. Только через 380 000 лет после Большого взрыва образовались первые атомы водорода. В течении нескольких сотен миллионов лет всё оставалось тёмным, лишённым небесных светил. Затем наступил космический рассвет: появились первые звезды, зарождались галактики, сформировалась крупномасштабная структура Вселенной.
Зародыши этой структуры должны были присутствовать в водородных облаках. Они не излучают свет, а это означает, что их невозможно изучить с помощью оптического телескопа. Однако водород испускает длинноволновое и низкочастотное радиоизлучение и его можно обнаружить с помощью радиотелескопов. К сожалению, на поверхности Земли такие «сигналы» практически невозможно обнаружить – наша атмосфера и радиошум от всевозможных технических устройств (человеческая деятельность) блокирует эти слабые сигналы.
Уже несколько десятилетий астрономы мечтают о создании на обратной стороне Луны телескопа, который предоставит возможность изучения космических тёмных веков — всего того, что было до образования первых звёзд. Такая обсерватория не зависела бы от атмосферы и телекоммуникационной деятельности человека. И вот наконец несколько космических агентств в ближайшие 3 года планируют разместить на Луне приборы для обнаружения радиоволн.
«Если бы я проектировал идеальное место для низкочастотной радиоастрономии, мне пришлось бы построить Луну», — сообщает астрофизик Джек Бёрнс из Университета Колорадо в Боулдере. «Мы только сейчас добрались до возможности установить такие телескопы на Луне. И мы сделаем это в течение следующих нескольких лет».
Сердцебиение водорода
Идея обнаружения нейтрального водорода с помощью телескопа восходит к 1940-м годам, когда голландский астроном Хендрик Кристоффель ван де Хюльст предсказал, что атомы водорода могут спонтанно испускать импульсы электромагнитного излучения. Это происходит из-за того, что атом водорода может переключаться между двумя энергетическими состояниями, испуская или поглощая излучение частотой 1420 МГц. Такое колебание импульсов называется «сердцебиением» водорода, которое можно обнаружить, если достаточное его количество соберётся в космосе.
Сигналы должны были впервые появиться примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла настолько, что протоны и электроны, заполнявшие ранее пространство, слились в атомы водорода. Помимо формирования исходного материала, из которого возникнут все последующие химические элементы и объекты, это событие имело дополнительное преимущество, сделав Вселенную прозрачной, высвободив водородное излучение, которое распространилось по всему космосу. Таким образом, нейтральные атомы пронизывали тёмную Вселенную в течение первых десятков миллионов лет, до момента появления первых звёзд и галактик.
Космологов особенно интересует этот период развития Вселенной прежде всего из-за того, что в то время она была относительно нетронутой, свободной от гравитации и других астрофизических объектов. Распределение нейтрального водорода все ещё несло на себе отпечатки первичных квантовых флуктуаций, которые были значительно усилены быстрым расширением Вселенной в первые доли секунды её существования.
Возможно, что изучение с частотой 1420 МГц (длина волны 21 сантиметр) могут нести признаки новой физики или отклонения от стандартной модели космологии. «Это площадка для проверки самой космологии», — сообщает Бёрнс.
Первые радиотелескопы на обратной стороне Луны будут простыми, они соберут лишь кусочную информацию о водородных облаках. По мере появления более сложных инструментов и знаний о тёмных временах истории Вселенной, на поверхность нашего спутника будут отправляться более сложные аппараты, которые позволят учёным создавать динамические карты водородных облаков с высоким разрешением.
«В нейтральном водороде хорошо то, что это не просто снимок во времени, как реликтовое излучение, — говорит Кристиан Зарб Адами из Оксфордского университета. Отслеживая высокочастотный сигнал в течение длительного времени, телескопы могут отображать эволюцию ранней Вселенной на протяжении тёмных космических веков вплоть до момента зарождения звёзд и галактик (эпохи рассвета) и даже за его пределами. После рассвета наступила эпоха реионизации, когда излучение первых массивных звёзд и других сильных астрофизических явлений разогрели оставшийся нейтральный водород достаточно, чтобы снова превратить его в плазму. Эта эпоха окончательно погасила 21-сантиметровые высокочастотные сигналы.
Пионеры далёкого мира
Некоторые приборы и инструменты уже работают над изучением тёмного космоса. Один из них является частью китайского посадочного модуля Chang’e-4 на обратной стороне Луны, а также лунного орбитального аппарата под названием Queqiao («Сорокий мост»), который передаёт сигналы с посадочного модуля на Землю. Queqiao был запущен в мае 2018-го года, а Chang’e-4 достиг поверхности Луны в январе 2019-го. «Это была первая мягкая посадка на обратной стороне Луны», — говорит Бернард Фоинг, исполнительный директор International Рабочая группа по исследованию Луны и планетолог из VU Amsterdam. «Это был огромный успех.»
Чанъэ-4 и Цэцяо имеют у себя на борту радиоантенны, однако единственная антенна Chang’e-4 заблокирована радиочастотными помехами (RFI), исходящими от электроники посадочного модуля. Именно поэтому будущие космические аппараты, рассчитанные на исследования тёмного прошлого Вселенной будут иметь дополнительную защиту, чтобы минимизировать радиопомехи. Также предполагается, что такие аппараты смогут развернуть несколько антенн на десятки километров на лунной поверхности.
Следующий шаг для изучения дальней астрономии начнётся с запуска ROLSES (радиоволновые наблюдения на лунной поверхности фотоэлектронной оболочки) в октябре этого года. ROLSES отправится на Луну в составе посадочного модуля частной разработки, лицензированного NASA в рамках программы космического агентства Commercial Lunar Payload Services. Несмотря на то, что аппарат совершит посадку на видимой стороне Луны, задачей ROLSES будет идентификация радиосигналов на обратной стороне нашей спутницы. «Это реально», — говорит Бёрнс, член команды ROLSES. «Я работаю над этим 35 лет. Это действительно происходит».
Ещё одна миссия по изучению радиочастотных помех на Луне — эксперимент по изучению электромагнетизма на поверхности Луны (LuSEE) — планируется запустить к 2024 году. «LuSEE уходит в дальнюю зону», — говорит Бёрнс. «Он разместится в ударном кратере Шрёдингера». Посадочный модуль, несущий LuSEE, будет также иметь другую полезную нагрузку: DAPPER (Dark Ages Polarimeter Pathfinder), телескоп для обнаружения 21-сантиметрового сигнала космических тёмных веков. «DAPPER изначально проектировался как орбитальный аппарат вокруг Луны, но он может работать и на этом посадочном модуле», — говорит Бёрнс. «NASA профинансировало нашу работу над концепцией миссии DAPPER. Мы будем готовы к работе».
Несмотря на все вышеперечисленные проекты, у астрономов есть ещё более амбициозные планы. Идея заключается в следующем: развёртывание антенных решёток на поверхности Луны. Эти решётки, которые объединяют сигналы от отдельных антенн, разнесённых на большие расстояния, действуют как телескопы с разрешением, намного большим, чем это было бы возможно с одной антенной, и могут эффективно обнаруживать источники в небе.
Эпоха массивов
Сюэлей Чен из Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук считает, что в ближайшем будущем орбита Луны является лучшим местом для создания группировок антенн на различных космических аппаратах. Антенны на нескольких спутниках могут быть объединены в массив, который будет проводить наблюдения, когда все аппараты находятся на обратной стороне. «Это небольшой эксперимент с умеренными затратами, и мы могли бы выполнить его с помощью современных технологий», — говорит Чен.
Предполагается, что флот из 5 – 8 спутников будет сформирован в тщательно выстроенную группу. Один из спутников — базовый, на котором будет размещена основная электроника и аппаратура для приёма и объединения сигналов от других спутников и передачи их на Землю. «Мы хотим, чтобы они были выпущены как сборка, в будущем же они будут запускаться один за другим», — говорит Чен.
Размещение такого массива антенн на обратной стороне Луны будет намного сложнее по многим причинам. Во-первых, из-за пересечённой местности — огромного количества неровностей, впадин и возвышенностей. Во-вторых, из-за очень высоких перепадов температур, которые должен выдерживать сам аппарат и все его приборы. Чтобы подготовиться к такой миссии, команда Фоинга планирует протестировать развёртывание радиоантенн с помощью роботов-вездеходов, разработанных Германским аэрокосмическим центром. Испытания состоятся в июне на склонах вулкана Этна, действующего вулкана на Сицилии, который сыграет роль лунной поверхности. Учёные будут управлять вездеходами удалённо: каждый из них будет везти по 4 антенны. «Мы разместим их в различных конфигурациях, чтобы показать, что сможем сделать это в будущем на Луне», — говорит Фоинг.
Есть и другой способ разместить массив антенн на обратной стороне Луны – просто сбросить их с орбитального модуля на поверхность. Адами и его коллеги работают над одной из таких идей: низкочастотный интерферометр, предназначенный для точного измерения характеристик радиоизлучения, который включает 128 фрактальных «мини-станций». Каждая станция имеет восемь плеч, и каждое плечо объединяет 16 спиральных антенн. «Я считаю, что антенны могут отделиться от спутника и приземлиться в разных частях лунной поверхности», — говорит Адами.
Такой проект требует минимального количества подвижных частей в конструкции антенны. Поэтому команда придумала печатать эти антенны в виде плоских листов, которые будут принимать окончательную форму после посадки на лунную поверхность. «Вы сможете печатать антенны так же быстро, как печатаете газеты. Мы тестируем эту технологию последние четыре или пять лет», — говорит Адами. «Мы находимся в процессе создания прототипа таких спиральных антенн». В качестве следующего шага, добавляет он, учёные должны спроектировать мини-станцию и сбросить её с дрона в отдалённых районах, вроде засушливого региона Западной Австралии, чтобы посмотреть, развернётся ли она.
В то же время Бёрнс возглавляет финансируемое NASA концептуальное исследование по созданию ещё одного лунного радиотелескопа, удачно названного FARSIDE (Дальний массив для радионаучных исследований тёмных веков и экзопланет, буквально ДАЛЬНЯЯ СТОРОНА — прим.ред.). Объединившись с Лабораторией реактивного движения NASA, учёные планируют посадить на Луну полезную нагрузку, которая будет состоять из 4-х вездеходов и 256-ти антенн весом в 1,5 тонны. Аппараты должны будут развернуть антенны в виде лепестков диаметром в 10 километров. «Мы вполне можем сделать это с помощью современных технологий!». — говорит Бёрнс.
Идея создания обсерватории на Луне уже до конца этого десятилетия выглядит вполне правдоподобной. Будем с нетерпением ждать испытаний, запусков, и, конечно, первых открытий!
Это перевод статьи из журнала Scientific American
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник