Радио с обратной стороны Луны: Как исследования на Луне помогут понять эволюцию Вселенной

Во Вселенной есть неизведанные регионы — и есть также неизведанные времена. Например, почти 400-миллионный временной пробел в истории нашей Вселенной, который мы никогда не видели: время до появления звёзд, известное как «Тёмные века Вселенной»

Чтобы исследовать эту эпоху, исследователи хотят поймать определённый радиосигнал, который нельзя зарегистрировать с Земли. Первым шагом к его прослушиванию является проект-исследование LuSEE-Night. Эксперимент должен отправиться на Луну в 2025 году, где он будет тестировать технологии в условиях лунной среды. Проект является совместной разработкой NASA команды из Беркли Лаб, уже начавшей разработку антенны эксперимента, которая будет пытаться настроиться на эти древние радиоволны.

«На обратной стороне Луны первозданная, почти свободная от радиошума среда, из которой можно попытаться обнаружить этот сигнал из Тёмных веков Вселенной. LuSEE-Night — это миссия, которая покажет, сможем ли мы осуществить такие наблюдения из места, где мы никогда не были, и такого диапазона частот, которые мы никогда прежде не могли регистрировать», — говорит Кайа Ротермунд из Беркли Лаб, работающая над антенной.

Сигнал из Тёмных веков Вселенной не может быть зарегистрирован на Земле, потому что наша атмосфера поглощает, преломляет и отражает радиосигнал до того, как он достигает приборов на Земле. Даже если бы это было возможно, радиосигнал был бы затоплен шумами от нашей собственной электроники.

Луна выступает в качестве щита, блокируя радиоволны от Земли. И, собирая данные в течение двухнедельной лунной ночи, эксперимент может отсеить радиоволны, исходящие от Солнца. Но проведение миссии на обратной стороне Луны также представляет для учёных и инженеров вызов. LuSEE-Night придётся работать при температурах около –280 градусов по Фаренгейту, а затем выдержать экстремальные перепады до 250 градусов на протяжении лунного дня во время зарядки своих батарей.

Из-за того, что обратная сторона Луны никогда не бывает обращена к Земле, прямая связь с инструментами миссии невозможна. LuSEE-Night будет отправлять все данные через ретрансляционный спутник, который будет пролетать над Луной.

«Если мы сможем доказать, что это возможно — добраться туда, развернуть эксперимент и пережить ночь, — это может открыть новые возможности для научного сообщества и будущих экспериментов», — говорит Аритоки Сузуки, руководитель проекта в Беркли Лаб.

После Большого Взрыва Вселенная была заполнена горячей, непрозрачной плазмой. Примерно через 400 000 лет плазма остыла настолько, что протоны и электроны образовали водород, испустив первый свет сквозь Вселенную. Этот свет, известный как космическое микроволновое излучение, достиг наших телескопов и дал нам «детскую фотографию» нашей Вселенной. После этого, в течение почти 400 миллионов лет, во времена Тёмных веков Вселенной, доминировал водородный газ, пока не начали формироваться первые звёзды.

Мы хотим изучить период Тёмных веков Вселенной, потому что это расскажет нам, как ранняя Вселенная эволюционировала в ту, какой мы видим её сейчас.

Исследователи полагают, что водород поглотил некоторую энергию от космического микроволнового излучения на определённой частоте. По мере расширения Вселенной частота сдвинулась, и сейчас возможно будет обнаружить её в виде радиоволн. LuSEE-Night будет слушать частоты от 0,5 до 50 мегагерц, хотя уже вероятно, что для обнаружения слабого сигнала потребуются будущие, более чувствительные эксперименты.

Команда разработала оптимальное конструктивное решение, смоделировала, какими будут диаграммы направленности антенн, и настроила электронику, чтобы определить силу принимаемого сигнала.

Поскольку исследователи ожидают, что сигнал будет одинаковым во всех направлениях. Любой сигнал, который изменяется после вращения антенны, должен быть отфильтрован из данных. Это, например, радиошум от других планет или галактик, а также отражения от лунного реголита.

Финальная сборка антенн запланирована на январь 2024 года, когда они будут интегрированы с другими компонентами LuSEE-Night, включая батарею весом 50 кг, которая будет обеспечивать работу эксперимента в течение ночи. Миссия направится на Луну на одном из будущих коммерческих космических рейсов по доставке грузов на Луну, проводимых компанией Firefly Aerospace, и будет собирать данные в течение 18 месяцев.