Миллионы лет назад астероид врезался в обратную сторону Луны — полушарие, всегда обращенное от Земли. В ближайшие годы на место оставленного им кратера может высадиться робот и построить радиотелескоп, достойный будущего астрономии.
Такова предпосылка амбициозного проекта под названием Лунный кратерный радиотелескоп (LCRT), цель которого — превратить лунный кратер в телескоп с помощью самоорганизующихся роботов. Луна блокирует шумные радиопомехи с Земли, а ее обратная сторона усеяна кратерами, которые могут служить чашей телескопа. Это делает ее идеальным местом для прослушивания слабых радиоволн, исходящих из так называемых космических темных веков — загадочной эпохи, зажатой между Большим взрывом и рождением самых первых звезд.
Возможность услышать эти древние радиоволны позволит ученым исследовать саму природу реальности. «Мы узнаем, верна ли наша физика или нам нужно строить новую физику», — говорит Саптарши Бандиопадхьяй, специалист по робототехнике из Лаборатории реактивного движения НАСА в Калифорнии и ведущий исследователь проекта LCRT.
Этот лунный кратерный телескоп — лишь один из нескольких проектов, конкурирующих за право заниматься астрономией на обратной стороне Луны. LCRT все еще находится в разработке; он еще не построен, и дата запуска не назначена. Но гораздо меньший прототип телескопа должен быть запущен позднее в этом году. А с недавним ускорением программы НАСА «Артемида», обещающей более высокую частоту миссий на Луну — как пилотируемых, так и роботизированных — появляется новый импульс для идеи размещения радиотелескопа на спутнике Земли.
«Это открывает новое окно во Вселенную — а у нас осталось не так много окон», — говорит Майкл Гарретт, астроном и директор Центра астрофизики Джодрелл Бэнк в Англии. «Это большое окно».
(Смотрите редкое солнечное затмение с обратной стороны Луны.)
Призраки ранней Вселенной
От взрывающихся звезд до планетарных полярных сияний — практически все, что производит энергию в космосе, излучает радиоволны — тот же тип волн, который ваша автомобильная радиоантенна преобразует в звук. В отличие от видимого света, эти волны невидимы и неслышимы для человека. К сожалению, для астрономов, желающих все это услышать, Земля действует как громоподобный громкоговоритель: не только ее ионосфера — электризованный слой верхней атмосферы планеты — создает изрядный шум, но и все наши технологии не перестают излучать искусственные радиоволны.
«Это чудовищное количество шума», — говорит Анже Слошар, исследователь из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Если вы астроном, надеющийся воспринять далекий космос, «это все равно что смотреть вверх со дна бассейна». И ученые мало что могут сделать с Земли. «Единственный способ избежать этого — спрятаться от него», — говорит он.
К счастью, есть отличное укрытие всего в 240 000 милях отсюда. «Для радиоастрономии Луна — одно из лучших мест», — говорит Гарретт. Если вы находитесь на обратной стороне Луны, вы обращены от Земли, и Луна действует как гигантский геологический барьер для какофонии планеты. А если проводить измерения ночью, это также отфильтровывает собственные радиопомехи Солнца.
Без всего этого шума лунный телескоп мог бы улавливать множество сигналов, которые радиотелескопам на Земле улавливать труднее. «Это также важно для поиска внеземного разума», — говорит Гарретт. Одно из самых больших препятствий для идентификации радиосигнала, исходящего от инопланетных технологий, — это попытка выделить его из собственного радио-шума Земли. На спокойной обратной стороне Луны это было бы гораздо проще сделать.
Любая радиоастрономия, проводимая на Луне, была бы желанной. Но обнаружение сигнала из «космических темных веков — это долгосрочная цель», — говорит Слошар. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная представляла собой суп из нейтрального водорода. Этот водород в конечном итоге должен был собраться в комки и зажечься в виде первых звезд, но тогда не было ничего, кроме тьмы.
Но сырой водород излучает радиоволны очень специфической длины. Этот далекий сигнал был бы чрезвычайно слабым, но если бы ученые смогли настроиться на него, они могли бы выяснить, как обычная материя взаимодействовала с загадочной темной материей — пока не обнаруженным «клеем», скрепляющим Вселенную, — чтобы сформировать космос, в котором мы живем сегодня.
Нет никакой гарантии, что телескоп на обратной стороне Луны сможет что-либо услышать: даже при блокировке Земли и Солнца гул самой галактики Млечный Путь все равно гораздо громче, чем этот водородный шепот. Но если он все же обнаружит эти бормотания, наше понимание Вселенной изменится навсегда. «Это совершенно неизведанная территория», — говорит Гарретт.
(На обратной стороне Луны есть огромное загадочное пятно.)
Первопроходец радиотелескопа
Сначала ученым необходимо продемонстрировать, что радиоастрономия на Луне возможна. Такова цель предстоящего эксперимента Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night (Lu-SEE Night) — совместного проекта НАСА, Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и Калифорнийского университета в Беркли.
Самый важный инструмент Lu-SEE Night — это его чувствительное радиоустройство, которое, теоретически, может услышать множество древних радиосигналов, идущих из ранней Вселенной. Это простой тест, стоящий перед серьезной проблемой.
«Ни одна американская миссия не высаживалась на обратной стороне Луны. Ни одна частная компания не высаживалась на обратной стороне Луны», — говорит Слошар, который руководит проектом Lu-SEE. И никто не слушал космические радиосигналы на обратной стороне Луны.
Самой большой угрозой будет лунная среда. Существует небольшой риск того, что микрометеорит, подобный пуле, смертельно ранит робота. А «перепады температур ужасающе велики», — говорит Слошар, от сотен градусов выше нуля до сотен ниже нуля от лунного дня до лунной ночи. Lu-SEE Night оснащен радиаторами и внутренними нагревательными механизмами, чтобы предотвратить замерзание или перегрев. Но никто не знает наверняка, сработают ли они.
«Если мы сможем пережить первую ночь, мы сможем пережить и многие другие», — говорит Слошар. В идеале миниатюрный радиотелескоп будет работать около 18 месяцев.
Запуск Lu-SEE Night запланирован на борту коммерческого посадочного модуля Firefly Aerospace позднее в этом году. Мировые радиоастрономы будут внимательно следить за этим. Если это сработает, то перспектива чего-то более грандиозного станет гораздо более ощутимой.
(Вот как превратить воду на Луне в ракетное топливо.)
Самостроящийся лунный страж
Ученые выдвинули ряд идей лунных радиотелескопов. Окончательная форма должна быть достаточно большой, чтобы «услышать» те далекие радиосигналы — то, что LCRT предлагает, используя топографию Луны, покрытую расщелинами.
Задача постройки телескопа была бы возложена на семейство роботов: посадочный модуль доставил бы вогнутый сетчатый материал из проволоки, украшенный отражающими панелями, в центр одного из многочисленных ударных кратеров Луны. Эти панели отражали бы радиоволны с неба на приемник, подвешенный над дном кратера. Несколько дополнительных роверов подняли бы провода к краю кратера и натянули их, поднимая как сетку, так и приемник. Кратер защищал бы телескоп от любых радиоволн, не исходящих с неба, включая любые солнечные радиоволны, которым удалось бы скользить вдоль лунной поверхности.
По крайней мере, такова была первоначальная идея LCRT. Но у Бандиопадхьяя были некоторые опасения. Использование нескольких роботов для выполнения этой задачи означает, что в случае неисправности одного из них телескоп будет неполным. Это также был бы несколько медленный процесс, который мог бы привести роботов через несколько опасных циклов день-ночь, которые могли бы их уничтожить.
Бандиопадхьяй поделился с National Geographic пересмотренными проектами телескопа. Команда LCRT сократила свой парк роботов до одного. Одинокий дроид приземлился бы в центре большого ударного кратера — диаметром 4300 футов, достаточно большого, чтобы придать LCRT его обширную форму, но не настолько большого, чтобы помешать самосборке — и выпустил бы закрепленные тросы в нескольких направлениях. Когда их якоря закрепятся на краю кратера, моторы натянут их, поднимая в процессе радиоприемник над посадочным модулем.
Во время этого развертывания отражатель радиоволн длиной 1150 футов, предназначенный для концентрации радиоволн, идущих с неба, на приемнике, развернется, как распускающийся звездообразный цветок. «Мы позаимствовали некоторые идеи из оригами», — говорит Бандиопадхьяй.
Эта итерация LCRT не только элегантна, но и прагматична. Использование всего одного робота означает меньше точек отказа и более низкую общую стоимость миссии. Подвешивание телескопа в воздухе также позволяет избежать помех от электрически заряженной лунной пыли, с которой могут столкнуться другие конструкции, закрепленные на лунной поверхности. Кроме того, использование существующей структуры (кратера) помогает ускорить сборку и обеспечивает защиту от нежелательных источников радиоволн (например, Солнца).
Сложив все яйца в одну роботизированную корзину, LCRT все равно останется своего рода космической авантюрой. Но он поддерживается Программой инновационных передовых концепций НАСА и ее Программой астрофизических исследований и анализа, что позволяет предположить, что сильные мира сего считают, что это может стоить попытки.
(Все хотят кусочек Луны. Что может пойти не так?)
В настоящее время команда LCRT тестирует различные типы якорей, чтобы определить, какие из них могут работать лучше всего. Инженеры также используют масштабные модели телескопа, чтобы проверить, может ли его узор оригами эффективно улавливать радиоволны. В идеале они хотели бы в конечном итоге отправить некоторые компоненты прототипа на саму Луну, чтобы испытать их в условиях, невозможных на Земле.
Возможно, радиотелескоп, который вырастет на обратной стороне Луны, в конечном итоге окажется не LCRT, а одной из других концепций миссий. Бандиопадхьяй, например, не будет слишком расстроен таким исходом: если кто-то там наверху будет слушать — внеземные сообщения и эти призрачные шепоты из космических темных веков — он будет в восторге.
«Наука — вот что важно — открытие человечеству понимания части Вселенной, которую мы никогда не видели раньше», — говорит он.