Обратная сторона Луны считается одним из лучших мест для радионаблюдений во всей внутренней части Солнечной системы. Лунный массив может оказаться практически изолированным от радиопомех, которые создают спутники, радары, наземные передатчики и другая техника. Это позволит наблюдать низкочастотную Вселенную в условиях, которые невозможно обеспечить на поверхности Земли.
Однако у этого преимущества есть ограниченный срок. По мере развития лунной инфраструктуры на обратной стороне Луны появляется все больше космических аппаратов. Они будут создавать собственное радиоизлучение и постепенно нарушать естественную радиотишину этого района.
На этом фоне группа исследователей предложила разместить на обратной стороне Луны специализированный радиотелескоп Lunar Farside Technosignatures and Transients Telescope, или LFT3. Проект предполагает относительно небольшой аппарат, который сможет проводить наблюдения в диапазонах HF, VHF и UHF и искать несколько особенно интересных типов космических сигналов.
Предлагаемая миссия пока не получила финансирования, поэтому речь не идет о готовящемся запуске. Но исследователи считают, что для подобного проекта существует своеобразное «окно возможностей»: чем активнее человечество осваивает Луну, тем быстрее исчезает естественная радиотишина, ради которой обратная сторона спутника особенно ценна.
Почему радиотелескопу нужна тишина
Земля становится все более шумным объектом для радиоастрономии
Радиоастрономия принципиально отличается от наблюдений в видимом свете. Радиотелескопы регистрируют электромагнитное излучение на радиочастотах, причем некоторые из интересующих ученых сигналов чрезвычайно слабы.
Проблема заключается в том, что те же диапазоны активно используются человечеством. Радиосвязь, спутниковые системы, радиолокация, навигация и множество других технологий постоянно создают искусственное излучение. Для обычного пользователя оно является частью современной инфраструктуры, но для радиотелескопа становится источником помех.
Ситуация особенно сложна при поиске слабых и редких сигналов. Если естественный сигнал приходит из далекого космоса одновременно с большим количеством земных радиопомех, отделить его от искусственного фона становится значительно труднее.
Даже удаленность от городов не решает проблему
Наземные радиотелескопы стараются размещать в удаленных районах, где уровень радиоизлучения ниже. Однако полностью изолировать такую обсерваторию от земной цивилизации невозможно.
Спутники передают сигналы над всей планетой, радиолокационные системы работают на больших расстояниях, а радиоизлучение распространяется далеко за пределы густонаселенных территорий.
Поэтому проблема заключается не только в городском радиошуме. Она имеет глобальный характер.
Для некоторых низких радиочастот добавляется еще одно ограничение: ионосфера Земли. Она может поглощать или искажать часть радиосигналов, что делает наблюдение определенных диапазонов с поверхности нашей планеты особенно сложным.
Почему обратная сторона Луны настолько привлекательна
Луна работает как естественный радиозащитный экран
Главное преимущество обратной стороны Луны связано не с ее поверхностью как таковой, а с самим массивным телом спутника.
Луна физически закрывает радиотелескоп от значительной части искусственных радиосигналов, приходящих со стороны Земли. Если аппарат находится на обратной стороне, между ним и нашей планетой оказывается огромное количество лунного вещества.
В результате создается естественная зона радиотишины.
Это принципиально отличается от ситуации на околоземной орбите. Даже если радиотелескоп находится в космосе, он все равно может подвергаться воздействию многочисленных земных передатчиков и спутников.
На обратной стороне Луны сама планета становится экраном.
Здесь можно наблюдать диапазоны, недоступные с Земли
Ионосфера ограничивает возможности наземной радиоастрономии на низких частотах. Поэтому обратная сторона Луны представляет интерес сразу по двум причинам.
Во-первых, она защищает от искусственного радиошума Земли. Во-вторых, отсутствие земной ионосферы позволяет наблюдать низкочастотное радиоизлучение без тех ограничений, которые существуют для наземных обсерваторий.
Это делает лунную поверхность потенциально уникальной площадкой для исследования низкочастотного радио неба.
В данном случае речь идет не просто о переносе обычного радиотелескопа с Земли на другое небесное тело. Меняется сама наблюдательная среда.
Почему ученые говорят о гонке со временем
Радиотишина обратной стороны Луны не будет вечной
До начала активного освоения Луны обратная сторона была относительно свободна от созданных человеком радиопомех.
Но ситуация быстро меняется. Лунная орбитальная и посадочная инфраструктура развивается, а в будущем количество аппаратов около Луны и на ее поверхности должно увеличиваться.
Каждый работающий аппарат потенциально становится источником радиоизлучения. Даже если отдельная система использует относительно слабый передатчик, большое количество аппаратов постепенно изменяет общую радиообстановку.
По оценке авторов проекта, уже к 2030 году растущий парк лунных орбитальных аппаратов и посадочных модулей может создать постоянные радиочастотные помехи на обратной стороне Луны.
Чем больше аппаратов, тем сложнее сохранить чистый диапазон
Проблема не обязательно возникает сразу после появления первого посадочного аппарата.
Радиообстановка постепенно усложняется. Появляются новые передатчики, линии связи, навигационные системы и другие элементы инфраструктуры.
Это означает, что наиболее ценным периодом для проведения исследований может оказаться именно нынешний этап, пока лунная инфраструктура еще относительно ограничена.
Если сначала создать радиотелескоп и провести наблюдения в условиях минимального искусственного фона, ученые смогут получить данные, которые позднее будет значительно труднее собрать.
Что представляет собой проект LFT3
Небольшая специализированная обсерватория
Предлагаемый Lunar Farside Technosignatures and Transients Telescope должен стать не огромной стационарной обсерваторией, а сравнительно компактной миссией.
Авторы проекта рассматривают возможность доставки аппарата на Луну в рамках программы NASA Commercial Lunar Payload Services, известной как CLPS. Предварительная оценка стоимости проекта составляет около 150 миллионов долларов.
Это значительно меньше стоимости многих крупных космических обсерваторий. Однако низкая стоимость в данном случае достигается за счет использования существующей инфраструктуры коммерческой доставки на поверхность Луны, а не за счет отсутствия сложных инженерных задач.
На данный момент LFT3 финансирование не получил. Поэтому его характеристики являются параметрами предлагаемой миссии, а не утвержденного космического аппарата.
Телескоп должен работать сразу в нескольких радиодиапазонах
LFT3 планируется использовать для наблюдений в диапазонах HF, VHF и UHF.
Такой выбор позволяет изучать различные типы низкочастотных радиоисточников и переходных событий. Проект не ориентирован на одну конкретную научную задачу.
Предполагается, что телескоп будет работать примерно 20 недель, сканируя глубокий космос в поисках слабых и кратковременных сигналов.
Для радиотелескопа это относительно небольшой период наблюдений, но расположение на обратной стороне Луны может компенсировать ограниченную продолжительность работы исключительно чистой радиообстановкой.
Какие космические сигналы собираются искать
Техносигнатуры и загадочные радиосигналы
Одним из направлений работы LFT3 должен стать поиск техносигнатур — потенциальных признаков деятельности технологических цивилизаций.
В качестве исторического примера здесь рассматривается знаменитый сигнал Wow!, зарегистрированный в 1977 году. Его происхождение до сих пор не получило окончательного объяснения.
Важно, однако, не смешивать поиск техносигнатур с утверждением о существовании внеземной цивилизации. Радиосигнал необычного происхождения сам по себе еще не является доказательством искусственного источника.
Задача подобных наблюдений заключается в том, чтобы найти сигналы, которые невозможно убедительно объяснить известными естественными или земными источниками, а затем провести их независимую проверку.
Почему сегодня обнаружить подобный сигнал сложнее
В 1977 году уровень искусственного радиофона был значительно ниже современного.
С тех пор человечество запустило огромное количество спутников и создало множество новых систем радиосвязи. Поэтому слабый космический сигнал сегодня должен конкурировать с гораздо более насыщенной радиообстановкой.
Если сигнал очень короткий или слабый, он может потеряться среди искусственных помех.
Обратная сторона Луны способна решить именно эту проблему. Она позволяет максимально отделить наблюдательную аппаратуру от источников радиосигналов, расположенных на Земле.
Радиоизлучение экзопланет может рассказать о магнитных полях
Некоторые планеты способны создавать радиосигналы
Второе направление LFT3 связано с экзопланетами.
Планеты могут генерировать радиоизлучение, связанное с их магнитными полями и взаимодействием с частицами от родительской звезды. Хорошо известным примером в Солнечной системе является Юпитер, который является мощным источником радиоизлучения.
Особый интерес представляют радиоавроры.
Они связаны с взаимодействием заряженных частиц с магнитосферой планеты и могут создавать радиосигналы, которые потенциально можно зарегистрировать на больших расстояниях.
Для некоторых экзопланет такие наблюдения могут предоставить информацию о свойствах их магнитосфер.
Магнитосфера важна для понимания условий на планете
Магнитное поле планеты способно влиять на взаимодействие ее атмосферы с потоком заряженных частиц от звезды.
Поэтому обнаружение и изучение радиоизлучения, связанного с магнитосферой экзопланеты, может дать информацию о наличии и свойствах ее магнитной защиты.
Особенно интересно это для планет, находящихся в потенциально обитаемых зонах своих звезд.
Однако наличие магнитного поля само по себе не доказывает обитаемость планеты. Оно является лишь одним из факторов, связанных с условиями на планете и состоянием ее атмосферы.
Быстрые радиовсплески могут получить новый инструмент наблюдений
Что такое FRB
Еще одна задача проекта связана с быстрыми радиовсплесками, или FRB.
Это чрезвычайно короткие, но очень мощные радиоимпульсы космического происхождения. Они приходят из очень далеких областей Вселенной и могут продолжаться всего очень небольшой промежуток времени.
Природа всех быстрых радиовсплесков пока не установлена полностью. Известно, что по крайней мере часть таких событий связана с компактными объектами, включая магнетары.
Поскольку FRB являются короткими событиями, их обнаружение требует чувствительной аппаратуры и постоянного наблюдения значительных областей неба.
Радиотишина особенно полезна для редких событий
Если слабый или короткий сигнал попадает на фоне мощных искусственных помех, его трудно обнаружить и правильно классифицировать.
Радиотелескоп на обратной стороне Луны сможет проводить такие наблюдения в гораздо более чистой среде.
Это особенно интересно для транзиентных источников — объектов или явлений, которые возникают, резко меняют яркость или исчезают за относительно короткое время.
Помимо FRB проект предполагает наблюдение других транзиентных явлений.
Главная инженерная проблема — не только температура
На Луне оборудование столкнется с экстремальным перепадом температур
Лунная поверхность предъявляет серьезные требования к технике.
В районе работы аппарата температура в течение лунного дня и ночи может изменяться примерно от 120 °C до −130 °C. Для обычной земной электроники такие условия крайне неблагоприятны.
Аппаратура должна быть рассчитана на длительные температурные циклы и при этом сохранять стабильность работы радиоприемников, антенн, вычислительной системы и других компонентов.
Однако разработчики проекта считают, что подобные инженерные задачи находятся в пределах современных технических возможностей.
Радиотелескоп должен работать автономно
У LFT3 будет еще одна особенность, напрямую связанная с его расположением.
Обратная сторона Луны не имеет прямой радиовидимости с Землей. Если телескоп находится на поверхности в месте, закрытом Луной от Земли, он не может напрямую передавать полученные данные на наземную станцию.
Поэтому понадобится промежуточный спутник, который будет работать как ретранслятор.
Это превращает систему связи в отдельную часть миссии.
Почему передача данных становится серьезным ограничением
Радиотишина означает и отсутствие прямой связи
В данном случае главное преимущество миссии одновременно создает проблему.
Находясь на обратной стороне Луны, телескоп защищен от радиосигналов Земли. Но та же самая Луна блокирует прямую связь с нашей планетой.
Поэтому научные данные придется сначала передавать на орбитальный аппарат, а уже затем направлять на Землю.
Существующая лунная инфраструктура при этом имеет ограниченные возможности передачи данных. Для проекта LFT3 в статье приводится оценка примерно 100 ГБ в месяц.
Для высококачественных радионаблюдений этого недостаточно, если пытаться передавать все зарегистрированные данные без предварительной обработки.
Телескоп должен самостоятельно отбирать наиболее важные данные
Решение заключается в обработке информации непосредственно на Луне.
Вместо того чтобы передавать на Землю весь поток необработанных наблюдений, система должна анализировать данные на борту и выбирать события, которые имеют научный интерес.
На Землю в таком случае отправляется уже отфильтрованная информация.
Это требует достаточно мощной вычислительной системы, способной работать автономно и выдерживать радиационную среду космоса.
Для космической техники подобный подход не является принципиально новым. Многие аппараты выполняют часть обработки данных непосредственно во время работы, поскольку передача всего объема информации на Землю технически или энергетически невыгодна.
Почему радиоастрономия на Луне может изменить наблюдения
Земные телескопы ограничены атмосферой и помехами
Наземные радиотелескопы остаются важнейшим инструментом астрономии, но у них есть фундаментальные ограничения.
Атмосфера влияет на прохождение некоторых радиоволн, а искусственное радиоизлучение создает все более сложный фон.
Орбитальные телескопы могут избежать части этих проблем, но они все равно остаются в пределах радиовлияния Земли.
Лунная обратная сторона предлагает другое решение: физически отделить приемную аппаратуру от главного источника искусственных радиосигналов.
Луна может стать естественной радиотихой зоной
Главная ценность лунной обсерватории заключается именно в этом сочетании факторов.
Между телескопом и Землей находится Луна. Одновременно над поверхностью нет плотной атмосферы, которая могла бы ограничивать наблюдения некоторых низких частот.
Поэтому обратная сторона спутника может предоставить условия, которые невозможно получить одновременно на Земле и на обычной околоземной орбите.
Если такая инфраструктура будет создана до того, как лунная радиообстановка станет насыщенной, ученые получат уникальную возможность провести наблюдения в практически недоступных для земной радиоастрономии диапазонах.
Почему нельзя просто отложить строительство на несколько десятилетий
Лунная инфраструктура будет становиться плотнее
Освоение Луны постепенно переходит от отдельных миссий к более сложной инфраструктуре.
Каждый новый аппарат увеличивает количество радиооборудования, работающего около спутника. Даже если сами миссии не предназначены для радиоастрономии, их системы связи могут создавать помехи.
Поэтому ценность обратной стороны Луны как радиотихой зоны может со временем уменьшаться.
Это и есть главный аргумент сторонников LFT3: установить специализированный телескоп нужно до того, как естественное преимущество обратной стороны будет серьезно ослаблено.
После появления помех восстановить прежние условия будет трудно
На Земле существуют специальные зоны радиотишины, однако их приходится защищать от появления новых источников радиопомех.
На Луне потенциально возможно создание аналогичных ограничений, но по мере роста количества миссий и инфраструктуры это становится сложнее.
Поэтому речь идет не просто о желании ученых запустить еще один телескоп. Проект связан с необходимостью сохранить уникальную наблюдательную среду до того, как она будет изменена деятельностью человека.
Обратная сторона Луны не является «темной стороной»
Важно правильно понимать термин «обратная сторона Луны».
Она не является постоянно темной. Луна вращается вокруг своей оси, и разные участки ее поверхности получают солнечный свет в течение лунного дня.
Обратной ее называют потому, что это полушарие в основном не видно с Земли из-за синхронного вращения Луны.
Для радиотелескопа это различие принципиально важно. Его интересует не отсутствие солнечного света, а отсутствие прямой радиовидимости с Землей.
Именно Луна между телескопом и нашей планетой создает необходимую защиту от земного радиоизлучения.
Что может дать LFT3 современной астрономии
Если проект будет реализован, его научная программа будет охватывать сразу несколько направлений.
Во-первых, телескоп сможет искать потенциальные техносигнатуры в низкочастотном диапазоне. Это особенно важно в условиях, когда искусственный радиофон на Земле становится все более насыщенным.
Во-вторых, наблюдения радиоаврор экзопланет могут помочь исследовать их магнитосферы. Это дает дополнительный способ изучения планет, которые невозможно непосредственно посетить.
В-третьих, чистая радиообстановка позволит исследовать быстрые радиовсплески и другие транзиентные события.
Все три направления используют одно и то же главное преимущество — возможность наблюдать космос вдали от наиболее сильных источников искусственных радиопомех.
Лунная радиоастрономия остается пока проектом
Несмотря на впечатляющие перспективы, LFT3 нельзя называть строящейся лунной обсерваторией.
На данный момент проект не получил финансирования. Его предварительная стоимость оценивается примерно в 150 миллионов долларов, а предполагаемым способом доставки рассматривается программа CLPS.
Следовательно, пока отсутствует утвержденная дата запуска и нет гарантии, что телескоп вообще будет построен.
Но сама идея имеет значение уже сейчас. Развитие лунной инфраструктуры создает необычную ситуацию, когда освоение нового научного региона одновременно угрожает уничтожить одно из его главных природных преимуществ.
Обратная сторона Луны особенно ценна для радиоастрономии именно потому, что она пока остается относительно тихой в радиодиапазоне. Чем больше аппаратов появляется около Луны и на ее поверхности, тем сложнее будет сохранить это преимущество.
Если LFT3 или другой аналогичный проект будет реализован достаточно рано, ученые смогут использовать короткое историческое окно, когда естественная радиозащита Луны еще работает почти в полном объеме.
В перспективе лунная радиообсерватория может стать принципиально новым инструментом для изучения Вселенной: от поиска слабых техносигнатур и радиоаврор экзопланет до наблюдения быстрых радиовсплесков и других кратковременных явлений. При этом главная ценность такой обсерватории будет заключаться не в размерах антенны, а в месте ее расположения — за естественным радиоэкраном, который создает сама Луна.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
Надеюсь у ученных получиться осуществить задуманное. Иначе утратим возможность, что на несет вред прогрессу.