На обратной стороне Луны может появиться небольшой космический аппарат, способный заглянуть в эпоху, которая пока практически недоступна для астрономических наблюдений. Разрабатываемый спутник CosmoCube предназначен для регистрации чрезвычайно слабого радиоизлучения нейтрального водорода на длине волны 21 сантиметр. Именно этот сигнал может дать информацию о периоде между образованием Вселенной и появлением первых звёзд и галактик.
Главное преимущество проекта заключается не столько в размерах самого аппарата, сколько в месте его работы. CosmoCube планируется вывести на орбиту вокруг Луны таким образом, чтобы значительную часть времени он находился за её обратной стороной относительно Земли. Луна в этом случае будет выполнять роль естественного экрана, блокирующего большую часть земных радиопомех.
Если миссия будет реализована, аппарат сможет исследовать диапазон очень низких радиочастот от 10 до 100 МГц. На Земле наблюдения в этом диапазоне крайне сложны из-за воздействия ионосферы и искусственных радиосигналов. На обратной стороне Луны условия значительно лучше, поскольку сама Луна экранирует аппарат от радиопередач с Земли.
CosmoCube должен стать компактной платформой для изучения так называемых космических тёмных веков — периода, когда Вселенная уже остыла после Большого взрыва, но первые звёзды ещё не начали освещать окружающее пространство.
Почему ранняя Вселенная до сих пор остаётся плохо изученной
Современная астрономия позволяет наблюдать очень далёкие объекты и заглядывать в прошлое Вселенной. Космические телескопы исследуют галактики, существовавшие спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва, а наблюдения реликтового излучения позволяют изучать ещё более раннюю Вселенную.
Однако между этими двумя эпохами остаётся огромный промежуток.
После Большого взрыва Вселенная постепенно расширялась и охлаждалась. Примерно через 380 тысяч лет после начала её расширения вещество стало достаточно холодным для образования нейтральных атомов водорода. Фотоны перестали постоянно взаимодействовать с заряженными частицами и смогли свободно распространяться. Именно это излучение сегодня наблюдается как космический микроволновой фон.
Но после отделения реликтового излучения до появления первых звёзд Вселенная оставалась без ярких источников света. В основном пространство было заполнено нейтральным водородом, а первые звёзды и галактики появились значительно позже.
Этот промежуток называют космическими тёмными веками.
Что произошло после появления первых звёзд
С появлением первых звёзд ситуация начала постепенно меняться. Их излучение стало воздействовать на окружающий нейтральный водород. Позднее появились первые галактики и другие яркие источники, а излучение этих объектов способствовало реионизации межгалактического вещества.
В результате Вселенная постепенно перешла от состояния, в котором практически не было ярких источников света, к структуре, населённой звёздами, галактиками и другими объектами.
Именно переход между этими состояниями представляет особый интерес для космологии. Учёным необходимо понять, когда появились первые звёзды, как формировались первые галактики и какую роль в этом процессе играла тёмная материя.
Обычные оптические телескопы не способны непосредственно увидеть саму эпоху тёмных веков. Поэтому исследователи ищут другие способы получить информацию о ней.
21-сантиметровая линия водорода может стать ключом к этой эпохе
Основным объектом наблюдений CosmoCube будет нейтральный атомарный водород. Практически вся ранняя Вселенная после формирования нейтрального вещества содержала огромное количество водорода.
У нейтрального водорода существует характерный радиосигнал, связанный с изменением относительной ориентации спинов протона и электрона. В исходном состоянии этот переход соответствует длине волны около 21 сантиметра.
Для астрономов эта линия особенно ценна потому, что нейтральный водород присутствовал в огромных количествах и заполнял раннюю Вселенную.
Если удастся зарегистрировать изменения 21-сантиметрового сигнала, учёные смогут получить информацию не только о самом водороде, но и о том, как менялось состояние Вселенной на протяжении времени.
Из-за расширения Вселенной сигнал сильно смещается
Первоначальная длина волны 21 сантиметр не означает, что современный радиотелескоп должен искать именно такой сигнал.
За миллиарды лет пространство Вселенной расширилось. Радиоволны, распространяющиеся через расширяющееся пространство, также растягиваются. Поэтому излучение древнего нейтрального водорода сегодня приходит к нам на гораздо больших длинах волн и значительно более низких частотах.
Именно поэтому CosmoCube будет работать в диапазоне примерно от 10 до 100 МГц.
Это чрезвычайно низкие радиочастоты по сравнению со многими диапазонами, используемыми современной радиоастрономией. И именно здесь возникает главная проблема наземных наблюдений.
Земля сама мешает наблюдать раннюю Вселенную
Радиоастрономы сталкиваются с двумя принципиально разными источниками помех.
Первый связан с самой Землёй и её ионосферой. Верхние слои атмосферы влияют на распространение низкочастотных радиоволн и делают наблюдения в некоторых диапазонах чрезвычайно сложными или невозможными.
Второй источник — человеческая деятельность.
Радиостанции, телекоммуникационные системы, спутники и другие технические устройства создают огромное количество радиочастотного излучения. Для обычной связи эти сигналы необходимы, но для астронома они становятся помехой, когда требуется обнаружить чрезвычайно слабое естественное излучение из далёкой Вселенной.
На низких частотах проблема особенно серьёзна.
Почему даже очень слабая земная радиопомеха важна
Сигнал от древнего водорода чрезвычайно слаб по сравнению с современными источниками радиошума.
Телескопу приходится выделять крошечные изменения на фоне гораздо более сильных сигналов. Даже если источник земной радиопомехи находится далеко, его излучение может оказаться намного ярче исследуемого космологического сигнала.
Поэтому недостаточно просто построить более чувствительный радиотелескоп. В некоторых диапазонах необходимо физически уменьшить количество помех, попадающих на детектор.
Именно здесь Луна получает важное преимущество перед Землёй.
Обратная сторона Луны работает как естественный радиощит
Луна постоянно обращена к Земле одной и той же стороной из-за синхронного вращения. Поэтому существует область её поверхности и окружающего пространства, которая во время определённой части орбиты оказывается закрыта от прямого радиовоздействия Земли.
Если разместить радиоприёмник за Луной, сама Луна будет экранировать его от множества земных источников радиосигналов.
Это не делает пространство полностью свободным от радиопомех. Излучение может приходить со стороны Луны, Солнца, Млечного Пути и других космических источников, а часть земного сигнала может попадать в аппарат другими путями. Но принципиально важный источник помех — сама Земля — оказывается за массивным естественным экраном.
Почему важна именно обратная сторона, а не просто орбита вокруг Луны
Обычный спутник на лунной орбите большую часть времени всё равно остаётся в прямой или косвенной радиовидимости Земли.
Чтобы получить максимальное преимущество от лунного экранирования, аппарат должен находиться на участке орбиты, где Луна закрывает Землю.
Именно поэтому CosmoCube будет не постоянно находиться за обратной стороной, а периодически проходить через неё.
Согласно описанию проекта, полный оборот вокруг Луны должен занимать около двух часов. Примерно 40 минут каждого такого оборота аппарат сможет использовать для наблюдений в условиях лунного радиозатмения.
CosmoCube будет небольшим спутником
Особенность проекта заключается в его сравнительно компактных размерах. CosmoCube не должен представлять собой огромную космическую обсерваторию наподобие крупных телескопов.
Вместо этого аппарат будет использовать специализированный радиоприёмник и лёгкую антенну, рассчитанные на работу в очень низкочастотном диапазоне.
Такой подход позволяет уменьшить массу и сложность миссии. При этом перед разработчиками возникает собственная инженерная проблема: небольшому аппарату необходимо обеспечить достаточную чувствительность, устойчивость к температурным изменениям и способность работать в сложной окололунной среде.
Антенна будет развёртываться уже в космосе
Для регистрации необходимого сигнала CosmoCube получит длинную лёгкую радиоантенну. Её конструкция должна обеспечить чувствительность к слабому сигналу нейтрального водорода в выбранном диапазоне частот.
Развёртывание антенны позволяет получить необходимую рабочую конфигурацию без существенного увеличения габаритов спутника во время запуска.
Это типичный инженерный компромисс для небольших космических аппаратов: в стартовой конфигурации они должны занимать минимум места, а после выхода в рабочее положение раскрывать элементы, необходимые для научных измерений.
За одну миссию CosmoCube должен накопить около 1000 часов данных
Один проход за обратной стороной Луны будет относительно коротким. Согласно проекту, примерно 40 минут из двухчасового орбитального периода аппарат сможет использовать для радиоастрономических наблюдений.
Но задача заключается не в получении одного отдельного измерения.
CosmoCube должен работать длительное время и многократно наблюдать один и тот же диапазон частот. За основную двухлетнюю миссию планируется накопить около 1000 часов научных данных.
Такой подход особенно важен для слабых космологических сигналов. Длительные наблюдения позволяют постепенно отделять слабый закономерный сигнал от случайных шумов и других источников излучения.
Почему одного пролёта недостаточно
Сигнал ранней Вселенной не является ярким точечным объектом, который можно просто сфотографировать.
Исследователям необходимо измерять статистические особенности радиоизлучения на разных частотах и направлениях. Поэтому важен большой массив данных, полученный в течение длительного времени.
Каждый отдельный сеанс наблюдений добавляет новую информацию. После объединения большого количества измерений можно искать устойчивые особенности, которые невозможно надёжно обнаружить в одном коротком наблюдении.
Учёным придётся отделить космологический сигнал от излучения Млечного Пути
Даже если полностью исключить радиопомехи с Земли, задача не становится простой.
Наша собственная Галактика является мощным источником радиоизлучения. Радиосигналы от различных процессов в Млечном Пути значительно сильнее ожидаемого сигнала от ранней Вселенной.
Поэтому CosmoCube должен не просто принимать радиоволны, но и позволять исследователям отделять космологическую составляющую от переднего плана.
Это одна из центральных задач проекта.
Для обработки данных будут использовать статистические методы
После получения информации на Земле исследователи планируют использовать байесовский статистический анализ для отделения слабого космологического сигнала от фонового радиоизлучения.
Кроме того, будут применяться компьютерные модели и данные, полученные непосредственно во время полёта, чтобы определить, каким образом антенна реагирует на разные участки неба.
Такая калибровка необходима потому, что реальная антенна не имеет идеально одинаковой чувствительности во всех направлениях и на всех частотах.
Если не учитывать особенности аппаратуры, они могут быть ошибочно приняты за реальные свойства исследуемого космологического сигнала.
CosmoCube будет изучать эпоху до первых звёзд
Одним из наиболее интересных результатов будущих наблюдений может стать информация о состоянии Вселенной ещё до появления первых звёзд.
В этот период нейтральный водород уже существовал, но источников звёздного света ещё не было.
Именно поэтому космические тёмные века настолько важны для космологии. Они представляют собой относительно простой этап эволюции Вселенной, когда вещество ещё не было преобразовано многочисленными звёздами и галактиками.
Изучение распределения водорода в этот период может дать информацию о начальных условиях формирования крупномасштабной структуры Вселенной.
Водород сохраняет информацию о распределении вещества
Газообразный водород не распределялся идеально равномерно.
Под действием гравитации небольшие неоднородности плотности постепенно увеличивались. Тёмная материя также играла важную роль, создавая гравитационные структуры, в которых впоследствии формировались первые звёзды и галактики.
Поэтому распределение нейтрального водорода может выступать своеобразным следом раннего распределения вещества.
Если научным командам удастся восстановить эти особенности по 21-сантиметровому сигналу, они смогут исследовать процесс формирования первых космических структур.
Тёмная материя — ещё одна цель миссии
CosmoCube предназначен не только для изучения нейтрального водорода как такового.
Одной из научных задач является исследование роли тёмной материи в формировании первых галактик.
Тёмная материя не излучает и не отражает свет так, как обычное вещество, поэтому непосредственно наблюдать её обычными телескопами невозможно. Но её гравитационное воздействие влияет на движение и распределение видимого вещества.
В ранней Вселенной гравитация тёмной материи способствовала формированию структур, в которых впоследствии собирался обычный газ.
Почему ранняя эпоха особенно важна для изучения тёмной материи
Современная Вселенная уже содержит огромное количество сформировавшихся галактик, звёздных систем и других объектов. За миллиарды лет многочисленные процессы изменили первоначальное распределение вещества.
Чем раньше в истории Вселенной удаётся наблюдать структуру вещества, тем ближе исследователь находится к исходным условиям формирования первых объектов.
21-сантиметровая линия нейтрального водорода потенциально позволяет получить такую информацию. Она может показать, где находился газ и как его распределение менялось под действием гравитации.
Это даёт возможность сравнивать наблюдения с космологическими моделями и проверять, насколько правильно они описывают раннюю Вселенную.
Почему космический телескоп James Webb не решает эту задачу
Современные космические телескопы уже обнаруживают очень древние галактики. Особенно большой вклад в эту область внёс James Webb Space Telescope, который способен наблюдать объекты, существовавшие спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва.
Однако даже Webb не может непосредственно наблюдать всю эпоху космических тёмных веков.
Причина заключается в характере источника информации. До появления первых звёзд не существовало ярких звёздных объектов, которые можно было бы непосредственно увидеть в инфракрасном диапазоне.
Для исследования этой эпохи требуется другой наблюдаемый сигнал — излучение нейтрального водорода.
Именно поэтому радионаблюдения на очень низких частотах могут дополнить данные James Webb и других космических обсерваторий.
У проекта есть серьёзные технические сложности
Окололунное пространство кажется привлекательным местом для радиотелескопа, но работа там связана с большим количеством инженерных проблем.
Аппарат должен функционировать в условиях вакуума, резких температурных изменений и периодического перехода между освещёнными и затенёнными участками орбиты.
При этом научная аппаратура должна сохранять очень высокую стабильность. Любые изменения характеристик радиоприёмника или антенны могут усложнить обработку слабого сигнала.
Температурный режим уже проверяют на Земле
Разработчики CosmoCube создают модели аппарата и его научной аппаратуры и проводят испытания, позволяющие проверить температурные характеристики системы.
Это особенно важно для орбитального аппарата, который регулярно переходит из области, освещённой Солнцем, в область, где солнечного света нет.
Температура конструкции при этом может существенно меняться. Радиоаппаратура должна продолжать работать в допустимых условиях, не создавая дополнительных нестабильностей, которые могли бы ухудшить качество научных данных.
На момент разработки проекта уже существовали работающие лабораторные прототипы отдельных элементов и проводились испытания в условиях, имитирующих будущую эксплуатацию.
На обратной стороне Луны становится теснее
Уникальное преимущество лунной обратной стороны одновременно является потенциальной проблемой.
Чем больше государств и организаций планируют отправлять аппараты к Луне, тем выше вероятность появления дополнительных источников радиопомех.
Даже если конкретный аппарат находится за Луной, другие космические аппараты могут создавать радиосигналы, которые попадут в область наблюдений.
Поэтому радиотихая среда обратной стороны Луны не является гарантированной навсегда.
Будущая лунная инфраструктура может мешать радиоастрономии
Развитие лунных баз, транспортных систем и исследовательских аппаратов означает увеличение числа электронных систем вокруг Луны.
Для обычной эксплуатации это преимущество: больше связи, навигации и обмена данными.
Для низкочастотной радиоастрономии ситуация противоположная. Любая передача в соответствующем диапазоне способна создать помеху чрезвычайно слабому космологическому сигналу.
Поэтому будущее использование обратной стороны Луны потребует учитывать интересы радиоастрономии ещё на этапе планирования инфраструктуры.
Радиотихая зона Луны имеет значение не только для CosmoCube
Идея размещения радиообсерваторий на обратной стороне Луны появилась задолго до CosmoCube.
Луна предоставляет уникальное сочетание двух преимуществ. Во-первых, её поверхность и тело закрывают радиосигналы с Земли. Во-вторых, на поверхности Луны отсутствует земная атмосфера, которая влияет на распространение низкочастотных радиоволн.
Поэтому обратная сторона Луны рассматривается как одно из наиболее перспективных мест для будущих низкочастотных радиоастрономических исследований.
CosmoCube отличается от многих концепций тем, что предполагает использование относительно небольшого спутника на орбите, а не строительство огромной стационарной антенны непосредственно на поверхности.
Почему аппарат не нужно размещать непосредственно на поверхности Луны
Орбитальная схема имеет собственные преимущества.
CosmoCube сможет многократно проходить через область радиотени Луны и получать данные с разных участков орбиты. При этом ему не требуется совершать посадку на поверхность, а значит, исключаются связанные с посадкой риски.
После выхода на орбиту аппарат должен регулярно повторять один и тот же цикл: наблюдение в зоне экранирования, выход из-за Луны и передача данных или выполнение других операций, после чего новый проход.
Такая схема позволяет использовать лунное экранирование без необходимости создавать полноценную наземную обсерваторию на поверхности.
Но орбитальная миссия ограничивает время наблюдений
Есть и очевидный недостаток.
Аппарат не будет находиться за Луной постоянно. При двухчасовом орбитальном периоде на научные наблюдения приходится около 40 минут каждого оборота.
Остальное время CosmoCube находится в другой части орбиты.
Поэтому для получения большого объёма данных потребуется длительная миссия и большое количество повторяющихся наблюдательных сеансов.
Планируемые примерно 1000 часов наблюдений за двухлетний основной период как раз должны компенсировать относительно короткую продолжительность каждого отдельного прохода.
Аппарат должен работать в диапазоне 10–100 МГц
Выбранный диапазон частот непосредственно связан с научной задачей.
Излучение нейтрального водорода из далёкой ранней Вселенной из-за космологического красного смещения приходит к Земле на очень низких частотах. Для исследуемой эпохи особенно важен диапазон примерно от 10 до 100 МГц.
Для наземной радиоастрономии это крайне неудобный диапазон.
Ионосфера Земли и многочисленные искусственные источники радиосигналов делают такие наблюдения очень сложными. На обратной стороне Луны аппарат получает возможность работать в существенно более благоприятной среде.
В основе CosmoCube лежит миниатюрный радиометр
Одним из ключевых приборов спутника станет интегрированный миниатюрный радиометр.
Радиометр предназначен для измерения характеристик радиоизлучения. В CosmoCube используется современная электроника, построенная на основе радиочастотных систем на кристалле, известных как RFSoC.
Такая архитектура позволяет объединить значительную часть аналоговой и цифровой обработки сигнала в компактной аппаратуре.
Для небольшого космического аппарата это особенно важно, поскольку масса, энергопотребление и размеры оборудования имеют жёсткие ограничения.
Компактность является частью концепции миссии
CosmoCube разрабатывается как сравнительно небольшой спутник, а не как крупная космическая обсерватория.
Это позволяет снизить требования к ракете и потенциально упростить запуск. Одновременно компактность требует особенно тщательно выбирать научное оборудование и способы обработки информации.
В результате значительная часть сложности переносится с размеров антенны и платформы на электронику, программное обеспечение, обработку данных и статистический анализ.
Именно такой подход позволяет попытаться решить сложную космологическую задачу с помощью сравнительно небольшого аппарата.
Когда CosmoCube сможет отправиться к Луне
Проект пока находится на стадии разработки.
На момент описания миссии уже существовали рабочие лабораторные прототипы оборудования, а отдельные компоненты проходили испытания.
Разработчики рассчитывают подготовить полноценную миссию и надеются осуществить запуск в течение следующих пяти лет.
Это означает, что CosmoCube ещё не является действующей космической обсерваторией и его научные результаты пока не получены.
Главное значение нынешнего этапа заключается в создании и проверке технологий, необходимых для работы чувствительного низкочастотного радиоприёмника в окололунной среде.
Что сможет дать обнаружение 21-сантиметрового сигнала
Если CosmoCube сможет получить достаточно качественные данные, они будут представлять интерес сразу для нескольких направлений космологии.
Во-первых, можно будет исследовать распределение нейтрального водорода в ранней Вселенной.
Во-вторых, появится возможность изучать период непосредственно перед образованием первых звёзд и процесс перехода от тёмных веков к космическому рассвету.
В-третьих, данные позволят проверять модели формирования первых галактик и роль тёмной материи в этом процессе.
Наконец, измерения могут дать дополнительную информацию о том, как изменялась Вселенная в промежутке между появлением реликтового излучения и возникновением первых ярких космических объектов.
Космический рассвет можно будет изучать не только по первым галактикам
Первые галактики являются непосредственными источниками света, поэтому их можно наблюдать с помощью современных телескопов.
Но они показывают уже сформировавшийся результат длительной эволюции вещества.
21-сантиметровое излучение нейтрального водорода потенциально позволяет наблюдать саму среду, в которой эти первые структуры возникали.
Это принципиальное отличие. Вместо того чтобы изучать только первые появившиеся галактики, астрономы смогут исследовать распределение водорода вокруг них и до их появления.
Лунная радиоастрономия может открыть новое окно во Вселенную
Большая часть современной астрономии развивается благодаря расширению доступного электромагнитного диапазона. Оптические телескопы позволили увидеть звёзды и галактики, инфракрасные обсерватории открыли холодные и далёкие объекты, рентгеновские и гамма-телескопы позволили изучать экстремальные процессы.
Очень низкие радиочастоты остаются одним из сложнейших направлений.
Земля сама создаёт серьёзные ограничения для таких наблюдений. Поэтому использование Луны в качестве естественного радиощита представляет не просто удобный технический вариант, а принципиально новый способ устранить один из главных источников помех.
CosmoCube является одним из проектов, которые пытаются использовать это преимущество уже в форме конкретной космической миссии.
Самая ранняя история Вселенной может оказаться доступна благодаря Луне
Современные телескопы уже позволяют увидеть очень далёкие галактики и изучать реликтовое излучение, оставшееся от ранней Вселенной. Но между этими наблюдаемыми эпохами остаётся период, когда Вселенная была заполнена нейтральным водородом и ещё не освещалась первыми звёздами.
Именно эти космические тёмные века CosmoCube должен исследовать с помощью низкочастотного радиоизлучения.
Аппарат планируется вывести на лунную орбиту, где Луна будет экранировать его от земных радиопомех. Примерно 40 минут каждого двухчасового оборота спутник сможет проводить наблюдения в радиотени Луны. За двухлетнюю основную миссию предполагается накопить около 1000 часов данных.
Полученная информация может помочь восстановить распределение нейтрального водорода, исследовать образование первых космических структур и проверить представления о роли тёмной материи в формировании первых галактик.
При этом научная ценность миссии зависит не только от самого обнаружения сигнала. Не менее сложной задачей станет отделение чрезвычайно слабого космологического излучения от радиоизлучения Млечного Пути, характеристик самого прибора и других источников помех.
Если проект дойдёт до запуска и сможет выполнить запланированные измерения, обратная сторона Луны впервые может стать площадкой для систематического изучения эпохи, которую современные оптические телескопы практически не видят. В таком случае лунная орбита будет использоваться не просто как место для размещения ещё одного научного аппарата, а как естественная радиотихая зона, позволяющая исследовать один из наименее изученных этапов истории Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
