Кілька космічних агентств готуються до нової хвилі місій на Місяць, які мають привести не лише до повернення астронавтів, а й до створення постійної інфраструктури — від житлових модулів до наукових лабораторій. Частину цих баз планують розмістити на зворотному боці Місяця, де панує унікальна радіотиша. Саме там, за даними Universe Today, готується працювати новий британський супутник CosmoCube, який «прислухатиметься» до найдавніших епох історії Всесвіту.
Як Місяць допоможе почути «темні віки»
Зворотний бік Місяця захищає від радіоперешкод, що йдуть із Землі: сигналів телекомунікацій, супутників і радіостанцій. Такий природний екран робить його ідеальним місцем для радіоастрономії, особливо на дуже низьких частотах, недоступних для наземних телескопів.
CosmoCube, який розробляють в Університеті Кембриджа, має вловлювати надзвичайно слабке випромінювання на довжині хвилі 21 сантиметр — це характерний сигнал нейтральних атомів водню. Його шукають від періоду між Великим вибухом і так званим «космічним світанком», коли у Всесвіті ще не було зірок і галактик. Цю епоху називають «космічними темними віками».
Темні віки тривали приблизно від 380 тисяч до близько 1 мільярда років після Великого вибуху. Тоді Всесвіт був заповнений переважно нейтральним воднем, а єдиним світлом, яке ми сьогодні можемо безпосередньо спостерігати, є космічне мікрохвильове фонове випромінювання — післясвітіння Великого вибуху, та 21-сантиметрове випромінювання цього водню.
Приблизно через 50 мільйонів років після Великого вибуху почали формуватися перші зорі та галактики. Вони поступово іонізували нейтральний водень, роблячи Всесвіт «прозорим» для оптичних телескопів. Цей перехідний період називають «космічним світанком».
Що вже бачать телескопи і чого бракує
Місії на кшталт Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) та європейського супутника Planck дали змогу детально вивчити космічне мікрохвильове тло. Космічні телескопи Hubble і Webb, а також наземні інтерферометри спостерігають найдавніші галактики, що виходять із темних віків.
Однак проміжок між цими двома «вікнами» залишається практично недосяжним. Для телескопів на Землі сигнали з відстані 13,5 мільярда років надзвичайно важко виявити: іоносфера блокує потрібні частоти, а людська радіотехніка створює потужні перешкоди.
Команда CosmoCube, як описано в статті в журналі Nature Astronomy, пропонує обійти ці обмеження, вивівши супутник на орбіту Місяця. Коли він проходитиме за зворотним боком, маса Місяця повністю екрануватиме його від земних радіосигналів.
CosmoCube працюватиме на наднизьких частотах — від 10 до 50 МГц, далеко за межами можливостей наземних радіотелескопів. За один двогодинний оберт навколо Місяця апарат матиме приблизно 40 хвилин «чистого» часу спостережень у радіотиші. За два роки основної місії це дасть близько 1000 годин даних про найдавніші етапи еволюції Всесвіту.
Отримана інформація має допомогти зрозуміти, як Всесвіт перейшов від темного й майже порожнього стану до прозорого космосу, наповненого яскравими об’єктами. Окремо місія має дослідити роль темної матерії у формуванні перших галактик.
Провідний автор дослідження, професор Елой де Лера Аседо (Eloy de Lera Acedo) з Кавендішської лабораторії Кембриджа, пояснює, що випромінювання водню між Великим вибухом і появою перших зір може показати, як темна матерія «стягувала» газ у перші зоряні скупчення.
Як працюватиме CosmoCube
Після виходу на місячну орбіту CosmoCube розгорне довгу легку радіоантену, достатньо чутливу, щоб уловити 21-сантиметровий сигнал. Коли дані надійдуть на Землю, команда застосує розвинений баєсівський статистичний аналіз, щоб відфільтрувати фоновий шум, зокрема природні радіовипромінювання Чумацького Шляху.
Додатково вчені використають комп’ютерні моделювання та вимірювання під час польоту, щоб точно визначити, як антена реагує на різні ділянки неба. Це дозволить скоригувати залишкові спотворення сигналу.
За словами де Лера Аседо, зворотний бік Місяця — єдине місце, де можна одночасно отримати настільки потужний захист від перешкод і огляд усього неба. Він підкреслює, що місія унікальна не лише науковими цілями, а й компактністю та відносно низькою вартістю платформи, яка дозволяє «дістатися» найглибших частин темних віків.
Виклики радіотиші та інженерні рішення
Є й проблема: дедалі більше космічних агентств планують використовувати радіотихе середовище зворотного боку Місяця. З часом воно може перестати бути таким тихим, що створить додаткові труднощі для подібних місій.
До цього додаються суворі умови: відсутність атмосфери, різкі перепади температур і обмежені можливості для обслуговування апарата. Співавтор роботи доктор Вілл Грейнджер (Will Grainger) зі STFC RAL Space зазначає, що амбітна наука з малого супутника в такому середовищі вимагає дуже продуманих інженерних рішень.
Команда разом із партнерами створила детальні моделі супутника та його наукового обладнання й випробувала їх у спеціальних лабораторних умовах. Це потрібно, щоб переконатися: теплова поведінка апарата дозволить інструментам працювати з потрібною чутливістю за різних температур, які супутник відчуватиме на орбіті Місяця. У майбутньому дослідники планують повністю доопрацювати корисне навантаження для повноцінної місії.
Технології та плани запуску
Одним із ключових інструментів CosmoCube стане сучасний мініатюрний радіометр, що використовує RF-Systems-on-Chip (RFSoC) — інтегровані рішення, які поєднують аналогову та цифрову електроніку на одному чипі.
Космічну платформу SSTL-21 для місії розробляє компанія Surrey Space Technology Limited (SSTL) за підтримки Космічного агентства Великої Британії. Дослідницька команда сподівається запустити CosmoCube протягом найближчих п’яти років. Інструменти вже проходять лабораторні випробування та екологічні тести.
Проєкт реалізується у співпраці з промисловими та науковими партнерами, зокрема Портсмутським університетом і STFC RAL Space. Команда також подала CosmoCube на недавній конкурс ESA mini-Fast — програму швидких і відносно недорогих місій середнього класу.
Де Лера Аседо вважає, що CosmoCube може стати справжньою історією успіху для Великої Британії: апаратне забезпечення, програмне забезпечення, реалізація та технології створюються в країні й водночас допомагають відповісти на одне з найглибших питань про походження та ранню еволюцію Всесвіту.