В ближайшие годы Луна станет популярным местом проведения космических программ во всем мире. К 2025 году НАСА Артемида III Миссия высадит первых астронавтов («первую женщину и первого цветного человека») на поверхность Луны впервые после окончания Эры Аполлона, более пятидесяти лет назад. В соответствии с Соглашением Артемиды к ним присоединятся несколько космических агентств, которые отправят на поверхность Луны астронавтов из Европы, Канады, Японии и других национальностей. Вскоре за ними последуют тайконавты (Китай), космонавты (Россия) и вьомонавты (Индия), которые будут проводить столь же прибыльные исследования и исследования.
Наличие объектов на орбите Луны, таких как базовый лагерь Артемиды, Международная лунная исследовательская станция и другие, позволит проводить все виды научных исследований, которые невозможны на Земле или на околоземной орбите. Сюда входит радиоастрономия, которая будет свободна от земных помех на обратной стороне Луны и достаточно чувствительна, чтобы обнаруживать свет ранее неисследованных космологических периодов. Это цель проекта-первопроходца, известного как «Ночь экспериментов по электромагнетизму на поверхности Луны» (LuSEE-Night), который отправится на Луну в следующем году и проведет следующие 18 месяцев, слушая космос!
Долгое время астрономы не могли изучить один из самых ранних периодов космической эволюции, известный как «Темные века» Вселенной. Это соответствует периоду, который начался примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная была заполнена нейтральным водородом, из которого начали формироваться первые звезды и галактики. Со временем первые звезды (Популяция III) сформировались в галактики, и их излучение постепенно ионизировало нейтральный водород, что привело к периоду, известному как Космический рассвет (или Эпоха реионизации), примерно через миллиард лет после Большого взрыва.
Это привело к тому, что Вселенная стала прозрачной для света и, следовательно, видимой для наших сегодняшних инструментов. Но, видя, как первые звезды и галактики формировались в Темные века, астрономы стремились изучить этот период, чтобы проследить эволюцию космических структур с самого начала. К сожалению, единственными источниками света в то время были реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва, видимое сегодня как космический микроволновый фон (CMB), и фотоны, высвобождаемые при формировании и переходе первых нейтральных атомов водорода в стабильные состояния (т. рекомбинация и развязка).
Сегодня этот свет виден только как спектральная линия, созданная изменением энергетического состояния нейтрального водорода, известная также как линия длиной 21 см или «линия водорода». Эту линию невозможно измерить с Земли, поскольку атмосфера поглощает, преломляет и отражает эти радиосигналы до того, как наземные инструменты смогут их обнаружить. Более того, любые радиосигналы, распространяющиеся так далеко в пространстве (и времени), будут заглушены радиопомехами, создаваемыми нашими наземными источниками — электронными устройствами, радиовещательными вышками, спутниками связи и т. д.
Однако у Луны есть явное преимущество, поскольку она действует как щит, блокируя радиоволны, исходящие от Земли. Но на обратной стороне Луны условия «радиотихие» и свободны от помех от земных источников, что позволило бы чувствительным радиоантеннам обнаруживать излучение этой древней эпохи. И последнее, но не менее важное: радиоантенны смогут собирать данные во время лунных ночей (которые длятся две недели), когда радиоволны, исходящие от Солнца, также не будут вызывать помех. Поскольку в ближайшие годы ожидается несколько миссий на Луну, было сделано множество предложений по строительству лунных радиообсерваторий.
Как сказала Кая Ротермунд, научный сотрудник лаборатории Беркли, работающая над антенной, в недавнем пресс-релизе лаборатории Беркли:
«Если вы находитесь на обратной стороне Луны, у вас есть нетронутая, радиотихая среда, из которой вы можете попытаться обнаружить этот сигнал из Темных веков. LuSEE-Night — это миссия, показывающая, можем ли мы проводить подобные наблюдения из места, в котором мы никогда не были, а также в диапазоне частот, который мы никогда не могли наблюдать».
Проект LuSEE-Night представляет собой сотрудничество НАСА и Министерства энергетики (DoE) с партнерами из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), Брукхейвенской национальной лаборатории, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Миннесоты. Команда лаборатории Беркли в настоящее время строит антенну для эксперимента, которая будет прослушивать космические радиоволны, исходящие из Темных веков. Эксперимент планируется запустить на Луне к 2025 году, где он проверит технологии в лунной среде.
Хотя лунные радиообсерватории будут иметь много преимуществ перед наземными объектами, они также столкнутся с серьезными проблемами из-за экстремальных условий. Среди них экстремальные температуры днем и ночью в южной полярной области Луны, которые держатся две недели подряд. В течение лунного дня температура может достигать 120 °C (250 °F), а ночью опускаться до -173 °C (-280 °F). Поскольку обратная сторона Луны никогда не обращена к Земле, прямая связь невозможна, а это означает, что все данные должны передаваться через спутник-ретранслятор. Сказал Аритоки Сузуки, руководитель проекта антенны в лаборатории Беркли:
«То, что удалось посадить научный инструмент на обратной стороне Луны, — это огромное достижение. Если мы сможем продемонстрировать, что это возможно – что мы можем добраться туда, развернуться и пережить ночь – это может открыть поле для сообщества и будущих экспериментов».
Для сбора радиоволн древней Вселенной LuSEE-Night будет использовать две пары антенн длиной шесть метров (~20 футов) от кончика до кончика. Антенны сконструированы таким образом, чтобы их можно было свернуть и разместить внутри обтекателя полезной нагрузки размером всего один метр (3,3 фута) со всех сторон. Как только он окажется на поверхности Луны, LuSEE-Night будет использовать подпружиненный «стакер», чтобы развернуть его в нужное положение. Чтобы подготовить систему к транспортировке, команда лаборатории Беркли начала с моделирования и моделей, затем разработала модель эксперимента в масштабе 1/100 и протестировала ее на крыше одного из зданий лаборатории.
Команда лаборатории Беркли также строит проигрыватель, который будет периодически вращать антенны, чтобы корректировать радиошум от других планет, галактик и даже вариаций, вызванных лунным реголитом под экспериментом. Этим летом команда завершила технический анализ и теперь работает с Лабораторией космических наук Калифорнийского университета в Беркли над созданием модели полета, которая отправится на Луну. Они надеются завершить работу над антенной подсистемой к январю 2024 года и интегрировать ее с другими компонентами. Завершенный эксперимент будет запущен в 2025 году компанией Firefly Aerospace в рамках программы NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS).
Дополнительная литература: Лаборатория Беркли
