CosmoCube: Луната ще помогне да чуем ранната Вселена

Далечната страна на Луната може да се превърне в едно от най-търсените места за радиоастрономия в Слънчевата система. Именно там учени искат да изпратят малък сателит, който да търси изключително слаби сигнали от епохата, когато Вселената все още не е имала звезди и галактики.

Проектът се нарича CosmoCube и е разработен с участието на учени от University of Cambridge и University of Portsmouth, както и RAL Space. Идеята му е едновременно проста и амбициозна: да използва Луната като естествен щит срещу радиошума от Земята и така да се опита да улови сигнал от най-ранните етапи в развитието на Вселената.

Луната осигурява нещо, което Земята не може: радиотишина

За астрономите, които искат да изследват ранната Вселена в нискочестотния радиодиапазон, Земята сама по себе си е сериозна пречка. Радиопредаватели, телекомуникационни системи, сателити и други източници на човешки радио шум могат да засенчат изключително слабите сигнали, идващи от космоса. Към това се добавят и ефектите на земната йоносфера, които допълнително затрудняват наблюденията.

Далечната страна на Луната предлага естествено решение. Когато сателитът се намира зад Луната спрямо Земята, самата лунна маса блокира голяма част от радиоизлъчванията от нашата планета. Това създава зона, в която влиянието на земните радиосмущения е значително намалено. В същото време учените трябва да се справят и с много по-силен естествен фон: синхротронното излъчване от нашата Галактика може да бъде до 100 000 пъти по-силно от 21-сантиметровия сигнал, който CosmoCube се опитва да измери.

Затова сателитът няма просто да бъде поставен на повърхността на Луната. Концепцията предвижда малък апарат да обикаля около нея на височина около 100 километра и да извършва наблюдения, когато се намира в радиосянката на далечната й страна. Планираната продължителност на мисията е около две години.

Какво е имало във Вселената преди раждането на първите звезди?

Тук започва интригуващата част от проекта. След Големия взрив Вселената постепенно се охлажда и около 380 000 години по-късно се образуват неутрални атоми водород. Следва продължителен период, известен като „тъмните векове“ – време, в което все още няма звезди и галактики, които да осветяват космоса.

Този период е един от най-слабо наблюдаваните етапи в историята на Вселената. Днес можем да наблюдаваме много далечни галактики и да надникваме към ранната Вселена благодарение на телескопи като James Webb, но преди появата на първите звезди почти липсва светлина, която традиционните телескопи могат да използват.

Точно тук се намесва водородът. CosmoCube ще търси т.нар. 21-сантиметрова линия на неутралния водород – радиоизлъчване, свързано с квантовия спин-преход в атомите на водорода. Поради разширяването на Вселената сигналът от далечното минало е разтеглен към по-ниски радиочестоти, а мисията е проектирана да работи в диапазона приблизително 10–100 MHz.

Ако учените успеят да измерят този слаб сигнал достатъчно прецизно, той може да разкрие как е бил разпределен водородът в ранната Вселена и как постепенно са започнали да се формират първите космически структури. CosmoCube цели да изследва период от около 380 000 години след Големия взрив до първия милиард години от развитието на Вселената.

James Webb вижда ранната Вселена, но CosmoCube търси нещо повече

На пръв поглед може да изглежда, че подобна мисия просто ще дублира работата на James Webb. Всъщност двата подхода са коренно различни.

James Webb наблюдава светлината от ранни галактики и други обекти, които са излъчвали светлина. CosmoCube от своя страна ще опита да изследва периода преди това, когато звездите все още не са се появили. Вместо да търси самите първи звезди, той ще търси отпечатъка, който неутралният водород е оставил в радиоспектъра на младата Вселена.

Това може да даде на учените информация за процесите, довели до появата на първите звезди и галактики. Според екипа зад проекта измерванията могат да помогнат и при изследването на фундаментални въпроси като свойствата на тъмната материя, взаимодействията между тъмната материя и обикновената материя и т.нар. Hubble tension – разминаването между различните измервания на скоростта на разширяване на Вселената.

Мисията все още е в процес на разработка

Важно е да се направи едно уточнение: CosmoCube все още не е изстрелян сателит. Това е предложена мисия, по която вече се разработват и тестват инструментите, но тепърва самият апарат предстои да бъде реализиран.

Екипът зад проекта планира четири до петгодишен път до изстрелването, като целта е достигане до лунна орбита преди края на десетилетието. Това означава, че говорим за бъдеща научна мисия, а не за експеримент, който вече събира данни около Луната.

Още един любопитен детайл интригува сред документацията на мисията. Причината учените да изберат далечната страна на Луната е именно отсъствието на човешки радио шум, но с разрастването на лунните мисии има риск това предимство да изчезне. Нови космически апарати, комуникационни системи и бъдещи лунни бази могат да създадат точно онези радиосмущения, от които CosmoCube се опитва да избяга. Именно затова бъдещата радиообсерватория на Луната ще трябва да бъде проектирана с много сериозно внимание към радиочистотата.

За да чуем най-стария сигнал, първо трябва да замълчим

CosmoCube няма да изпрати снимка на първата звезда във Вселената. Няма и да покаже как е изглеждал Големият взрив. Целта му е по-фина, но потенциално много важна: да измери слаб радиоотпечатък от водорода в период, за който все още знаем твърде малко.

Ако мисията успее, учените ще получат нов инструмент за изследване на времето между появата на неутралния водород и раждането на първите звезди, както и на последвалото формиране на първите космически структури. Това е една от големите празнини в познанията ни за ранната Вселена.

И тук се появява почти ироничен детайл. За да чуем сигнал, който е пътувал към нас повече от 13 милиарда години, на човечеството може да се наложи първо да намери начин да запази непокътнато едно от най-тихите места в близкия космос – далечната страна на Луната.