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.
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».
