Обратната страна на Луната може да се окаже най-доброто ново място за изучаване историята на космоса. През следващото десетилетие астрономите възнамеряват да проведат безпрецедентни наблюдения на ранната Вселена от невидимата за нас страна на Луната. Това ще стане с помощта на радиотелескопи, които са инсталирани в орбитални космически станции, както и чрез роботизирани роувъри от ново поколение.

С помощта на тази техника ще бъдат изучавани първите половин милиард години на Вселената, няколко милиона от които съставят така наречените „космически тъмни векове„, когато първите звезди и галактики все още не са се сформирали. Но радиотелескопите могат да приемат дълговълновото нискочестотно радиоизлъчване, създавано от гигантските облаци неутрален водород, които през тези времена са запълвали Вселената. Но тяхното откриване и наблюдение от Земята е на практика невъзможно, понеже се губят в потока от радиошум, създаван от човека.

Учените от десетилетия мечтаят за изследвания, които могат да бъдат провеждани от обратната страна на Луната, където има естествена защита от земните радиопредавания и сигналите не са изкривени от атмосферата, възпрепятстваща изучаването на ранната Вселена. Сега, когато няколко космически мисии вече работят на обратната страна на Луната, тези мечти са на път да станат реалност.

Ако аз бих проектирал идеалното място за нискочестотна радиообсерватория, то щеше да ми се наложи да построя Луната“ – шегува се астрофизикът Джек Бърнс от университета в Колорадо. „Ние едва сега най-после стигнахме до това място на Луната, където има смисъл от изграждането на подобни телескопи„.

Изследванията на ранния водород

Идеята за това, че радиотелескопите могат да откриват неутралния водород, се поражда през 1940-те години, когато холандският астроном Хендрик Кристофел „Хенк“ ван де Хълст (Hendrik Christoffel van de Hulst) предсказва, че атомите на водорода могат спонтанно да излъчват електромагнитни импулси. Този процес протича, понеже всеки атом на водорода може свободно да преминава между две енергийни състояния, при което излъчва или поглъща импулси с дължина на вълната 21 см (1420 MHz). Тези емисии са „сърдечния ритъм“ на водорода и се натрупват в приетите сигнали, когато газовите облаци се разрастват в космически мащаби.

Първите сигнали от този тип би трябвало да се появили приблизително 380 000 години след Големия взрив, когато Вселената е изстинала дотолкова, че протоните и електроните, които дотогава са запълвали пространството, вече са можели да започнат да се сливат и да образуват атоми на водорода. Освен формирането на първия химически елемент, от който са възникнали всички останали, това събитие на практика е направило Вселената прозрачна, позволявайки реликтовото излъчване на Големия взрив да се разпространява в космоса.

Днес ние можем да регистрираме това излъчване, което е последица от Големия взрив, като космически микровълнов фон. След това неутралният водород е запълвал тъмната Вселена в продължение на около 100 милиона години, докато не е настъпила светлината, когато са почнали да сияят първите звезди и галактики.

Космолозите особено живо се интересуват от тъмните векове, понеже те дават възможност да се види Вселената, когато е била сравнително незасегната и свободна от доста объркващите астрофизични ефекти на звездите и галактиките. По това време разпределянето на неутралния водород все още е носело следите от първичните квантови флуктуации, които са били значително усилени от бързото разширяване на Вселената в първите части от секундата на нейната история.

Предполага се, че 21 сантиметровите сигнали от космическите тъмни векове могат да дадат информация за една съвсем нова физика, както и да подскажат редица отклонения от стандартния космологически модел.

Това е една перфектна площадка за проверка на нашите теории“ –  заяви Бърнс.

Най-първите радиотелескопи на обратната страна на Луната, както и в нейна орбита, няма да са сложни. На практика тяхната цел е да докажат, че ни е по силите да регистрираме това слабо излъчване на водорода с честота 1420 MHz. Ако всичко протече както е планирано, ще се появят по-сложни телескопи, които ще дадат възможност на астрономите да създават детайлни динамични карти с висока резолюция на древните водородни облаци.

Хубавото на неутралния водород е, че това не е просто една моментна снимка, като реликтовото излъчване“ – споделя Кристиан Зарб Адами (Kristian Zarb Adami) от Оксфордския университет. Регистрирайки променливия 21 сантиметров сигнал в течение на времето, телескопите могат да покажат еволюцията на ранната Вселена през всички космически тъмни векове, чак до космическата зора и дори малко извън тези предели.

След космическата зора настъпва ерата на рейонизацията, когато излъчването на първите масивни звезди и другите мащабни астрофизични явления в достатъчна степен нагряват останалия неутрален водород, за да го превърнат обратно в плазма. Това събитие окончателно е прекратило излъчването на честота 1420 MHz.

Пионерите на лунната астрономия

Вече имаме работеща космическа сонда на обратната страна на Луната. Това е китайският Чанъе-4, който стана първият космически апарат, успял да осъществи меко кацане на обратната страна на Луната. Разбира се, за да могат да се получат неговите сигнали на Земята е необходим орбитален ретранслатор и това е Цюецяо, който бе изведен в орбита една година по-рано.

И двата космически апарата имат антени, които на теория могат да работят в гигахерцовия диапазон. Но тази възможност не е цялостно разгърната в сателита Цюецяо, а на работата на единствената антена на Чанъе-4 пречат радиочестотните смущения от електрониката на модула за кацане. Разбира се, бъдещите лунни космически апарати за изследване на тъмните векове ще включват допълнителна защита за минимизиране на смущенията от подобен род. Също така, предвижда се поставянето на антени, които ще са отдалечени на десетки и дори стотици километри от базовия модул.

Следващият подготвителен етап за изграждането на обсерватория на обратната страна на Луната ще започне с изстрелването на ROLSES (Radiowave Observations at the Lunar Surface of the Photoelectron Sheath), което трябва да стане през месец октомври тази година. ROLSES ще бъде изпратен на Луната като част от модул за кацане на частна разработка, лицензирана от НАСА като част от програма за търговска доставка на полезни товари на естествения спътник на Земята.

Въпреки че тази сонда ще кацне в района на Океана на бурите на близката страна на Луната, задачата на ROLSES за изучаване на собственото излъчване на Луната има решаващо значение за бъдещата работа на радиообсерваторията на нейната обратна страна.

Засега всичко върви по план“ – каза Бърнс, който е член на екипа на ROLSES. „От 35 години работя върху това. Сега виждам, че лунната радиоастрономия постепенно става реалност„.

Още една мисия за изучаването на радиосмущенията на Луната е лунният повърхностен електромагнитен експеримент (LuSEE), който е планиран за 2024 година.

LuSEE ще работи на далечната страна на Луната“ – допълва Бърнс. „Това ще стане в Басейна на Шрьодингер„.

Модулът за кацане се нарича LuSEE и ще носи допълнителен полезен товар. Това е DAPPER (Dark Ages Polarimeter Pathfinder) –  специализиран телескоп за откриване на 21 сантиметровия сигнал от космическите тъмни векове.

Независимо от това, дали се намира в орбита или на повърхността на Луната, възможностите на DAPPER ще са ограничени от струпването на няколко диполни антени на едно място. Но има и по амбициозни планове по разгръщането на фазирани антенни решетки на Луната. Тези решетки обединяват сигналите от отделните антени, поставени на големи разстояния, които работят като телескопи с резолюция много по-голяма, отколкото е възможно да се постигне с помощта на една антена. Това дава възможност за получаването на детайлни снимки на космическите обекти.

Бъдещето на лунната астрономия

Хюлей Чен (Xuelei Chen) от Националната астрономическа обсерватория на китайската академия на науките счита, че лунната орбита в близкото бъдеще е най-доброто място за картографиране на древните водородни облаци чрез използването на масиви сателити. Антените на няколко сателита могат да бъдат обединени в един общ масив, който ще провежда наблюдения, когато всички сателити се намират на обратната страна на Луната. Днешните технологии сравнително лесно позволяват това да бъде осъществено.

Предварителният план предвижда групировка, съставена от пет до осем сателита, която да лети във формация, образуваща необходимия масив. Единият от сателитите ще бъде база, в която ще бъде инсталирана по-голямата част от електрониката за приемането на комбинираните сигнали от другите сателити, както и за подаване на полезния сигнал към Земята. Тази групировка лесно може да бъде подобрена чрез добавянето на нови сателити в лунна орбита.

От друга страна, изграждането на масив от сонди с антени на повърхността на далечната страна на Луната е много по-сложна задача. Причините са много –  пресечения терен на естествения спътник на Земята и опасния за електрониката космически студ по време на 14-дневната лунна нощ. За да се започне подготовката за подобни мащабни проекти се тества технология за поставяне на необходимите антени с помощта на роботи-роувъри, разработени от германския аерокосмически център.

Друг начин за изграждане на масив от антени на повърхността на обратната страна на Луната е просто тези антени да бъдат пуснати от орбитален апарат в необходимите точки. Вече е разработен метод за разпечатване на тези антени. Тази технология се тества от пет години и разпечатването на необходимите антени става толкова лесно както печатането на вестници.

В същото време Бърнс оглавява финансирано от НАСА изследване за създаването на още един лунен радиотелескоп, който се нарича FARSIDE. Проектирането на FARSIDE е осъществено от специалистите на Калифорнийския технологичен институт съвместно с експертите от Лабораторията за реактивно движение на НАСА.

Учените възнамеряват да изпратят на обратната страна на Луната полезен товар от 4 роувъра и 256 антени с общо тегло около половин тон, като модулите за кацане вече са разработени от НАСА. Роувърите ще разгърнат антените на територия с диаметър около 10 км. Това също е във възможностите на съвременните технологии, като този проект е планиран да бъде осъществен до края на това десетилетие.

Поставянето на радиотелескоп на обратната страна на Луната се очаква да даде огромен принос за развитието на науката и осезателно ще разшири нашите познания за Вселената.

One thought on “Телескопи на обратната страна на Луната ще разкрият тайните на ранната Вселена”

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *