Uitându -se la epocile întunecate ale universului de partea îndepărtată a lunii

Există un semnal, născut în primele zile ale cosmosului. Este slab. Este leșin. Abia se poate înregistra chiar și pe cele mai sensibile dintre instrumente. Dar conține o mulțime de informații despre formarea primelor stele, primele galaxii și misterele originilor celor mai mari structuri din univers.

În ciuda deceniilor de căutare a acestui semnal, astronomii încă nu l -au găsit. Problema este că pământul nostru este prea zgomotos, ceea ce face aproape imposibil să surprindă acest șoaptă. Soluția este să mergem în partea îndepărtată a lunii, folosindu -și volumul pentru a proteja instrumentele noastre sensibile de cacofonia planetei noastre.

Construirea telescoapelor pe partea îndepărtată a lunii ar fi cea mai mare provocare astronomică luată în considerare vreodată de umanitate. Și ar merita.

Știința

Am scanat și cartografiat cosmosul mai larg de un secol acum, de când Edwin Hubble a descoperit că „Nebula” Andromeda este de fapt un Galaxy care stă la 2,5 milioane de ani de lumină. Observatoarele noastre puternice bazate pe Pământ au cartografiat cu succes locația detaliată către milioane de galaxii, iar observatoarele viitoare precum Observatorul Vera C. Rubin și telescopul spațial Roman Nancy Grace vor mapa încă milioane.

Și pentru tot acest efort, tot ce este tehnologic și progresul științific, am examinat mai puțin de 1 la sută din volumul cosmosului observabil.

Vasta cea mai mare parte a universului va rămâne pentru totdeauna neobservabilă la telescoapele tradiționale. Motivul este dublu. În primul rând, majoritatea galaxiilor vor fi pur și simplu prea slabe și prea departe. Chiar și James Webb Space Telescope, care este conceput în mod explicit pentru a observa prima generație de galaxii, are un câmp de vedere atât de limitat, încât poate capta doar o mână de ținte simultan.

În al doilea rând, a existat o perioadă, în primele câteva sute de milioane de ani după ce Big Bang, înainte ca Stars și Galaxies să se formeze chiar. Supranumit „Evul Cosmic Dark”, de data aceasta creează în mod natural o țintă astronomică provocatoare, deoarece nu existau tocmai o mulțime de surse luminoase care să genereze lumină pentru a ne uita.

Dar a existat hidrogen neutru. Cea mai mare parte a universului este fabricată din hidrogen, ceea ce îl face cel mai frecvent element în cosmos. Astăzi, aproape tot hidrogenul este ionizat, existent într-o stare plasmatică super încălzită. Dar înainte ca primele stele și galaxii să apară, rezervele cosmice de hidrogen erau reci și neutre.

Hidrogenul neutru este confecționat dintr -un singur proton și un singur electron. Fiecare dintre aceste particule are o proprietate cuantică cunoscută sub numele de spin (care seamănă cu proprietatea familiară, macroscopică a spinului, dar nu este la fel – deși acesta este un articol diferit). În starea sa cu cea mai mică energie, protonul și electronul vor avea rotiri orientate în direcții opuse. Dar, uneori, prin șansă cuantică pură aleatorie, electronul se va răsturna spontan. Foarte repede, hidrogenul observă și primește electronul să se întoarcă spre locul unde aparține. Acest proces eliberează o cantitate mică de energie sub forma unui foton cu o lungime de undă de 21 de centimetri.

Această tranziție cuantică este extrem de rară, dar cu suficient hidrogen neutru, puteți construi un semnal substanțial. Într-adevăr, observațiile privind radiațiile de 21 cm au fost utilizate pe scară largă în astronomie, în special pentru a construi hărți ale rezervoarelor de gaz rece pe Calea Lactee.

Deci, Evul Cosmic Întunecat nu sunt în întregime întunecate; Acei nori de hidrogen neutru primordial emit cantități extraordinare de radiații de 21 cm. Dar acea radiație a fost emisă în trecutul îndepărtat, cu mult peste 13 miliarde de ani în urmă. Pe măsură ce a parcurs distanțele cosmice, toate miliarde de ani lumină în drum spre telescoapele noastre dornice, a experimentat efectele redshift ale universului nostru în expansiune.

În momentul în care radiațiile întunecate de 21 cm ajunge în SUA, aceasta s-a întins cu un factor de 10, transformând semnalul de hidrogen neutru în unde radio cu lungimi de undă de aproximativ 2 metri.

Astronomia

Oamenii au devenit mai degrabă îndrăgostiți de transmisiile radio în secolul trecut. Din păcate, vârful acestui semnal primordial din epocile întunecate se află chiar sub cadranul FM al radioului dvs., ceea ce face destul de imposibil de detectat de pe Pământ. Emisiile noastre sunt pur și simplu prea puternice, prea zgomotoase și prea greu de eliminat. Echipele de astronomi au conceput modalități inteligente de a reduce sau elimina interferențele, cu tablouri împrăștiate în jurul celor mai dezolante deșerturi din lume, dar nu au reușit să confirme detectarea unui semnal.

Așadar, acei astronomi s -au transformat în disperare spre cel mai liniștit deșert la care se pot gândi: partea îndepărtată a lunii.

Abia în 1959, când sonda sovietică Luna 3 ne -a oferit prima noastră privire asupra părții îndepărtate ale lunii și nu a fost până în 2019 când misiunea Chang’e 4 a făcut prima aterizare moale. În comparație cu partea apropiată, și în special cu orbita de pământ scăzut, există foarte puțină activitate umană acolo. Am avut misiuni mai active pe suprafața lui Marte decât pe partea lunară.

Și asta face ca partea îndepărtată a lunii să fie locația ideală pentru un telescop radio de vânătoare întunecată, fără interferențe și zgomot uman.

Ideile abundă pentru a face din aceasta o posibilitate. Prima încercare serioasă a fost Dare, The Dark Epoce Radio Explorer. În loc să încerce obiectivul auditiv de a construi un telescop propriu-zis la suprafață, Dare a fost un concept finanțat de NASA pentru a dezvolta un observator (și când vine vorba de Radio Astronomie, „Observatorul” poate fi la fel de simplu ca o antenă) pentru a orbita luna și a lua date atunci când este pe partea opusă ca pământul.

Din diferite motive birocratice, NASA nu a dezvoltat în continuare conceptul Dare. Dar astronomii creativi au prezentat propuneri și mai îndrăznețe.

Conceptul Farview, de exemplu, este un tablou de telescop radio propus care ar pitica orice pe pământ. Ar fi sensibil la intervalele de frecvență între 5 și 40 MHz, permițându -i să vizeze Evul Întunecat și nașterea primelor stele. Proiectarea propusă conține 100.000 de elemente individuale, cu fiecare element constând dintr -o antenă dipol simplă simplă, dispersată pe un uimitor 200 de kilometri pătrați. Ar fi imposibil să livrăm că multe antene direct la suprafața lunii. În schimb, ar trebui să le construim, să extragă regolitul lunar și să -l transformăm în componentele necesare.

Proiectarea acestui tablou este ceea ce se numește interferometru. În loc de o singură farfurie mare, antenele individuale colectează date pe cont propriu și apoi își corelează toate semnalele mai târziu. Rezoluția eficientă a unui interferometru este aceeași cu o singură farfurie la fel de mare ca cea mai largă distanță dintre elemente. Dezavantajul unui interferometru este că cea mai mare parte a radiațiilor primite lovește doar murdărie (sau în acest caz, regolitul lunar), astfel încât interferometrul trebuie să colecteze o mulțime de date pentru a construi un semnal decent.

Încercarea acestor tipuri de observații pe pământ necesită o întreținere și curățare constantă pentru a elimina interferențele radio și au scufundat în esență toate încercările de a măsura epocile întunecate. Dar un interferometru bazat pe lunar va avea tot timpul în lumea de care are nevoie, oferind un flux de date mult mai curat și mai ușor de analizat.

Dacă nu aveți chef să construiți 100.000 de antene pe suprafața lunii, atunci o altă propunere încearcă să folosească trăsăturile naturale ale lunii – și anume, craterele sale. Dacă scârțâie destul de tare, ei arată deja ca niște vase de radio. Ideea din spatele proiectului, denumită Lunar Crater Radio Telescop, este de a găsi un crater adecvat și de a-l folosi ca structură de sprijin pentru un telescop gigantic, la nivel de kilometru.

Această idee nu este fără precedent. Atât iubitul Arecibo, cât și observatoarele rapide nou -venit au folosit depresiuni în peisajul natural al Puerto Rico și, respectiv, China, pentru a scoate cea mai mare parte a încărcăturii din inginerie pentru a -și face mâncărurile uriașe. Telescopul lunar ar fi mai mare decât ambele combinate și ar fi reglat să vâneze semnale radio cu vârste întunecate pe care nu le putem observa folosind observatorii bazate pe Pământ, deoarece pur și simplu sări de pe ionosfera Pământului (chiar înainte de a trebui să ne facem griji pentru orice interferență umană suplimentară). În esență, singurul mod prin care umanitatea poate accesa acele lungimi de undă este depășind ionosfera noastră, iar partea îndepărtată a lunii este cel mai bun loc pentru a parca un observator.

Ingineria

Provocările inginerești pe care trebuie să le depășim pentru a realiza aceste vise științifice nu sunt mici. Până în prezent, umanitatea a plasat o singură misiune moale pe partea îndepărtată a lunii și ambele aceste propuneri necesită o îmbunătățire imensă la capacitățile noastre. Acesta este exact motivul pentru care ambele concepte din partea îndepărtată au fost finanțate de NIAC, programul inovator de concepte avansate a NASA, care oferă subvenții cercetătorilor care au nevoie de timp pentru a rezolva idei cu risc ridicat, cu recompensă ridicată.

Cu fonduri NIAC, proiectanții telescopului de radio Crater Lunar, condus de Saptashi Bandyopadhyay la Jet Propulsion Laboratory, s -au gândit deja la provocări vor trebui să depășească pentru a face misiunea un succes. Misiunea lor se bazează foarte mult pe un alt concept JPL, Duaxel, care constă dintr-un rover care se poate împărți în două rovers cu un singur axel conectat printr-o legătură.

Pentru a construi telescopul, mai multe Duaxels sunt trimise la crater. Una dintre fiecare pereche „stă” pentru a se ancora pe peretele craterului, în timp ce alta se târăște pe pantă. În centru, sunt întâmpinați cu un deter de telescop care a implementat fire de ghidare și rama de plasă de sârmă a telescopului (din nou, ajută la asamblarea scopurilor că vasele radio sunt doar șiruri de metal în diferite aranjamente). Perechile de pe marginea craterului își ridică tovarășii înapoi, desfășurând plasă și îndepărtând receptorul deasupra farfuriei.

Observatorul Farview este un instrument mult mai capabil – dacă ar fi implementat, ar fi cel mai mare interferometru radio construit vreodată – dar este, de asemenea, mult mai dificil. Condus de Ronald Polidan din Lunar Resources, Inc., IT se bazează pe procesele de fabricație in situ. Vehiculele autonome ar săpa regolitul, prelucrați-l și ar perfecționa-l și ar scuipa toate componentele care fac ca un interferometru să funcționeze: 100.000 de antene individuale, kilometrii de cablare pentru a rula printre ele, tablourile solare pentru a alimenta totul în timpul luminii lunare și a bateriilor pentru a stoca energie pentru observarea blocurilor-lunar.

Dacă acest lucru sună intens, este pentru că este și nu se oprește acolo. Un telescop astronomic este mai mult decât un dispozitiv de colectare a datelor. De asemenea, trebuie să crească unele numere și să obțină acele informații prețioase la un om pentru a le studia efectiv. Asta înseamnă că orice fel de platformă de observare a părții îndepărtate, în special tipurile care vor ingera cantități cu adevărat masive de date, cum ar fi aceste propuneri, ar trebui să facă una dintre cele două alegeri.

Alegerea unuia este de a efectua cea mai mare parte a corelației și procesării datelor pe suprafața lunară, trimițând înapoi doar produse extrem de rafinate pe Pământ pentru analize suplimentare. Realizarea acestui lucru ar necesita aterizare, instalare și rularea a ceea ce este în esență un supercomputer pe lună, care vine cu propria sa greutate, robustete și cerințe de putere.

Cealaltă alegere este de a menține instalația cât mai ușoară posibil și de a trimite datele brute înapoi la mașinile Earthbound pentru a gestiona cea mai mare parte a sarcinilor de procesare și analiză. Acest tip de randament de date este imposibil cu tehnologia actuală, dar ar putea fi obținut cu strategii experimentale de comunicare bazate pe laser.

Viitorul

Observatorii astronomici din partea îndepărtată a lunii se confruntă cu un pic de captură-22. Pentru a implementa și a conduce o instalație de clasă mondială, fie încorporată într-un crater, fie înconjurată peste peisaj, avem nevoie de anumite capacități serioase de fabricație lunară. Dar aceleași capabilități vin cu toate enervantele radiouri de radio care deja se bazează pe Radio Astro, bazat pe Pământ Nomy.

73 de comentarii