Инструменты, которые будут использоваться в миссиях на обратной стороне Луны, предоставят нам беспрецедентный взгляд на тёмную эпоху развития ранней Вселенной. 

Обратная сторона Луны – это необычная и непривычная территория, которая сильно отличается от знакомой нам видимой стороны спутника Земли. В 1959-м году советский космический зонд «Луна-3» сделал первые фотографии этой скрытой области. Вместо лунных «морей» на снимках было получено множество горных хребтов, кратеров и впадин. В недалёком будущем эта местность станет ещё более необычной: во многих кратерах будут размещены радиотелескопы, роботы-вездеходы, их обслуживающие и лунные орбитальные аппараты, которые будут передавать полученную информацию от радиотелескопов на Землю. 

Астрономы планируют разместить на обратной стороне Луны новейшую обсерваторию, которая позволит приоткрыть завесу тёмной космической эпохи. Наша Вселенная не всегда была полна яркими звёздами и галактиками, которые сияют сегодня на земном небосводе. Только через 380 000 лет после Большого взрыва образовались первые атомы водорода. В течении нескольких сотен миллионов лет всё оставалось тёмным, лишённым небесных светил. Затем наступил космический рассвет: появились первые звезды, зарождались галактики, сформировалась крупномасштабная структура Вселенной. 

Зародыши этой структуры должны были присутствовать в водородных облаках. Они не излучают свет, а это означает, что их невозможно изучить с помощью оптического телескопа. Однако водород испускает длинноволновое и низкочастотное радиоизлучение и его можно обнаружить с помощью радиотелескопов. К сожалению, на поверхности Земли такие «сигналы» практически невозможно обнаружить – наша атмосфера и радиошум от всевозможных технических устройств (человеческая деятельность) блокирует эти слабые сигналы.                     

Уже несколько десятилетий астрономы мечтают о создании на обратной стороне Луны телескопа, который предоставит возможность изучения космических тёмных веков — всего того, что было до образования первых звёзд. Такая обсерватория не зависела бы от атмосферы и телекоммуникационной деятельности человека. И вот наконец несколько космических агентств в ближайшие 3 года планируют разместить на Луне приборы для обнаружения радиоволн. 

«Если бы я проектировал идеальное место для низкочастотной радиоастрономии, мне пришлось бы построить Луну», — сообщает астрофизик Джек Бёрнс из Университета Колорадо в Боулдере. «Мы только сейчас добрались до возможности установить такие телескопы на Луне. И мы сделаем это в течение следующих нескольких лет».

Сердцебиение водорода

Идея обнаружения нейтрального водорода с помощью телескопа 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 из-за того, что атом водорода может переключаться между двумя энергетическими состояниями, испуская или поглощая излучение частотой 1420 МГц. Такое колебание импульсов называется «сердцебиением» водорода, которое можно обнаружить, если достаточное его количество соберётся в космосе. 

Сигналы должны были впервые появиться примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла настолько, что протоны и электроны, заполнявшие ранее пространство, слились в атомы водорода. Помимо формирования исходного материала, из которого возникнут все последующие химические элементы и объекты, это событие имело дополнительное преимущество, сделав Вселенную прозрачной, высвободив водородное излучение, которое распространилось по всему космосу. Таким образом, нейтральные атомы пронизывали тёмную Вселенную в течение первых десятков миллионов лет, до момента появления первых звёзд и галактик. 

Космологов особенно интересует этот период развития Вселенной прежде всего из-за того, что в то время она была относительно нетронутой, свободной от гравитации и других астрофизических объектов. Распределение нейтрального водорода все ещё несло на себе отпечатки первичных квантовых флуктуаций, которые были значительно усилены быстрым расширением Вселенной в первые доли секунды её существования. 

Возможно, что изучение с частотой 1420 МГц (длина волны 21 сантиметр) могут нести признаки новой физики или отклонения от стандартной модели космологии. «Это площадка для проверки самой космологии», — сообщает Бёрнс.

Первые радиотелескопы на обратной стороне Луны будут простыми, они соберут лишь кусочную информацию о водородных облаках. По мере появления более сложных инструментов и знаний о тёмных временах истории Вселенной, на поверхность нашего спутника будут отправляться более сложные аппараты, которые позволят учёным создавать динамические карты водородных облаков с высоким разрешением. 

«В нейтральном водороде хорошо то, что это не просто снимок во времени, как реликтовое излучение, — говорит Кристиан Зарб Адами из Оксфордского университета. Отслеживая высокочастотный сигнал в течение длительного времени, телескопы могут отображать эволюцию ранней Вселенной на протяжении тёмных космических веков вплоть до момента зарождения звёзд и галактик (эпохи рассвета) и даже за его пределами. После рассвета наступила эпоха реионизации, когда излучение первых массивных звёзд и других сильных астрофизических явлений разогрели оставшийся нейтральный водород достаточно, чтобы снова превратить его в плазму. Эта эпоха окончательно погасила 21-сантиметровые высокочастотные сигналы.

Пионеры далёкого мира

Некоторые приборы и инструменты уже работают над изучением тёмного космоса. Один из них является частью китайского посадочного модуля Chang’e-4 на обратной стороне Луны, а также лунного орбитального аппарата под названием Queqiao («Сорокий мост»), который передаёт сигналы с посадочного модуля на Землю. Queqiao был запущен в мае 2018-го года, а Chang’e-4 достиг поверхности Луны в январе 2019-го. «Это была первая мягкая посадка на обратной стороне Луны», — говорит Бернард Фоинг, исполнительный директор International Рабочая группа по исследованию Луны и планетолог из VU Amsterdam. «Это был огромный успех.»

Чанъэ-4 и Цэцяо имеют у себя на борту радиоантенны, однако единственная антенна Chang’e-4 заблокирована радиочастотными помехами (RFI), исходящими от электроники посадочного модуля. Именно поэтому будущие космические аппараты, рассчитанные на исследования тёмного прошлого Вселенной будут иметь дополнительную защиту, чтобы минимизировать радиопомехи. Также предполагается, что такие аппараты смогут развернуть  несколько антенн на десятки километров на лунной поверхности. 

Следующий шаг для изучения дальней астрономии начнётся с запуска ROLSES (радиоволновые наблюдения на лунной поверхности фотоэлектронной оболочки) в октябре этого года. ROLSES отправится на Луну в составе посадочного модуля частной разработки, лицензированного NASA в рамках программы космического агентства Commercial Lunar Payload Services. Несмотря на то, что аппарат совершит посадку на видимой стороне Луны, задачей ROLSES будет идентификация радиосигналов на обратной стороне нашей спутницы. «Это реально», — говорит Бёрнс, член команды ROLSES. «Я работаю над этим 35 лет. Это действительно происходит».

Ещё одна миссия по изучению радиочастотных помех на Луне — эксперимент по изучению электромагнетизма на поверхности Луны (LuSEE) — планируется запустить к 2024 году. «LuSEE уходит в дальнюю зону», — говорит Бёрнс. «Он разместится в ударном кратере Шрёдингера». Посадочный модуль, несущий LuSEE, будет также иметь другую полезную нагрузку: DAPPER (Dark Ages Polarimeter Pathfinder), телескоп для обнаружения 21-сантиметрового сигнала космических тёмных веков. «DAPPER изначально проектировался как орбитальный аппарат вокруг Луны, но он может работать и на этом посадочном модуле», — говорит Бёрнс. «NASA профинансировало нашу работу над концепцией миссии DAPPER. Мы будем готовы к работе».

Несмотря на все вышеперечисленные проекты, у астрономов есть ещё более амбициозные планы. Идея заключается в следующем: развёртывание антенных решёток на поверхности Луны. Эти решётки, которые объединяют сигналы от отдельных антенн, разнесённых на большие расстояния, действуют как телескопы с разрешением, намного большим, чем это было бы возможно с одной антенной, и могут эффективно обнаруживать источники в небе.

Эпоха массивов

Сюэлей Чен из Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук считает, что в ближайшем будущем орбита Луны является лучшим местом для создания группировок антенн на различных космических аппаратах.  Антенны на нескольких спутниках могут быть объединены в массив, который будет проводить наблюдения, когда все аппараты находятся на обратной стороне. «Это небольшой эксперимент с умеренными затратами, и мы могли бы выполнить его с помощью современных технологий», — говорит Чен.

Предполагается, что флот из 5 – 8 спутников будет сформирован в тщательно выстроенную группу. Один из спутников — базовый, на котором будет размещена основная электроника и аппаратура для приёма и объединения сигналов от других спутников и передачи их на Землю. «Мы хотим, чтобы они были выпущены как сборка, в будущем же они будут запускаться один за другим», — говорит Чен.

Размещение такого массива антенн на обратной стороне Луны будет намного сложнее по многим причинам. Во-первых, из-за пересечённой местности — огромного количества неровностей, впадин и возвышенностей. Во-вторых, из-за очень высоких перепадов температур, которые должен выдерживать сам аппарат и все его приборы. Чтобы подготовиться к такой миссии, команда Фоинга планирует протестировать развёртывание радиоантенн с помощью роботов-вездеходов, разработанных Германским аэрокосмическим центром. Испытания состоятся в июне на склонах вулкана Этна, действующего вулкана на Сицилии, который сыграет роль лунной поверхности. Учёные будут управлять вездеходами удалённо: каждый из них будет везти по 4 антенны. «Мы разместим их в различных конфигурациях, чтобы показать, что сможем сделать это в будущем на Луне», — говорит Фоинг.

Есть и другой способ разместить массив антенн на обратной стороне Луны – просто сбросить их с орбитального модуля на поверхность. Адами и его коллеги работают над одной из таких идей: низкочастотный интерферометр, предназначенный для точного измерения характеристик радиоизлучения, который включает 128 фрактальных «мини-станций». Каждая станция имеет восемь плеч, и каждое плечо объединяет 16 спиральных антенн. «Я считаю, что антенны могут отделиться от спутника и приземлиться в разных частях лунной поверхности», — говорит Адами.

Такой проект требует минимального количества подвижных частей в конструкции антенны. Поэтому команда придумала печатать эти антенны в виде плоских листов, которые будут принимать окончательную форму после посадки на лунную поверхность. «Вы сможете печатать антенны так же быстро, как печатаете газеты. Мы тестируем эту технологию последние четыре или пять лет», — говорит Адами. «Мы находимся в процессе создания прототипа таких спиральных антенн». В качестве следующего шага, добавляет он, учёные должны спроектировать мини-станцию и сбросить её с дрона в отдалённых районах, вроде засушливого региона Западной Австралии, чтобы посмотреть, развернётся ли она.

В то же время Бёрнс возглавляет финансируемое NASA концептуальное исследование по созданию ещё одного лунного радиотелескопа, удачно названного FARSIDE (Дальний массив для радионаучных исследований тёмных веков и экзопланет, буквально ДАЛЬНЯЯ СТОРОНА — прим.ред.). Объединившись с Лабораторией реактивного движения NASA, учёные планируют посадить на Луну полезную нагрузку, которая будет состоять из 4-х вездеходов и 256-ти антенн весом в 1,5 тонны. Аппараты должны будут развернуть антенны в виде лепестков диаметром в 10 километров. «Мы вполне можем сделать это с помощью современных технологий!». — говорит Бёрнс.

Идея создания обсерватории на Луне уже до конца этого десятилетия выглядит вполне правдоподобной. Будем с нетерпением ждать испытаний, запусков, и, конечно, первых открытий!

Это перевод статьи из журнала Scientific American