|
Темные века нашей Вселенной
|
|
|
|
Есть неизведанные области Вселенной, а также неизведанные времена. На самом деле, в истории нашей Вселенной существует пробел длиной почти в 400 миллионов лет, которого мы никогда не видели: время до появления звезд, известное как Темные века. Чтобы исследовать ту эпоху, исследователи хотят уловить конкретный радиосигнал, который невозможно измерить с Земли. Первым шагом к его обнаружению является первопроходческий проект, известный как «Ночь экспериментов по электромагнетизму лунной поверхности» или LuSEE-Night. Планируется, что эксперимент отправится на Луну в 2025 году, где он проверит технологии в суровых лунных условиях. Проект представляет собой сотрудничество НАСА и Министерства энергетики с партнерами из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), Брукхейвенской национальной лаборатории (ведущая лаборатория Министерства энергетики), Калифорнийского университета в Беркли и Университета Миннесоты. Команда лаборатории Беркли приступила к созданию антенны для эксперимента, которая попытается настроиться на эти древние радиоволны.
|
|
|
|
«Если вы находитесь на обратной стороне Луны, у вас есть нетронутая, радиотихая среда, из которой вы можете попытаться обнаружить этот сигнал из Темных веков», — сказала Кайя Ротермунд, постдокторант из лаборатории Беркли, работающая на антенне. «LuSEE-Night — это миссия, показывающая, можем ли мы проводить подобные наблюдения из места, в котором мы никогда не были, а также в диапазоне частот, который мы никогда не могли наблюдать». Сигнал Темных веков невозможно измерить с Земли, потому что наша атмосфера поглощает, преломляет и отражает радиосигнал еще до того, как он достигнет наземных приборов. Даже если бы это было возможно, радиосигнал был бы заглушен шумом нашей собственной электроники и средств связи. Луна действует как щит, блокируя радиоволны от Земли. А собрав данные только в течение двухнедельной лунной ночи, эксперимент также может блокировать радиоволны, исходящие от Солнца. Но это изолированное место также приносит проблемы. LuSEE-Night должен работать при температуре около -280 градусов по Фаренгейту, а затем выдерживать резкие колебания до 250 градусов по Фаренгейту в течение лунного дня, когда он будет перезаряжать свои батареи.
|
|
|
А поскольку обратная сторона Луны никогда не обращена к Земле, прямая связь с экспериментом невозможна. LuSEE-Night придется отправлять все свои данные через спутник-ретранслятор, который проходит над головой. «Проектирование посадки научного инструмента на обратной стороне Луны является огромным достижением», — сказал Аритоки Сузуки, руководитель проекта антенны в лаборатории Беркли. «Если мы сможем продемонстрировать, что это возможно — что мы можем добраться туда, развернуться и пережить ночь — это может открыть поле для сообщества и будущих экспериментов». После Большого взрыва Вселенная была заполнена горячей, непрозрачной плазмой блуждающих частиц. Примерно через 400 000 лет плазма достаточно остыла, чтобы протоны и электроны соединились в водород, освободив свет для путешествия по Вселенной. Этот свет, известный как космический микроволновый фон или реликтовое излучение, достиг наших телескопов и дал нам детское изображение нашей Вселенной. После этого газообразный водород доминировал в течение почти 400 миллионов лет в Темные века, пока на космическом рассвете не начали формироваться первые звезды и галактики.
|
|
|
|
«Благодаря реликтовому излучению у нас есть снимок ранней Вселенной. И у нас также есть изображения из более поздней Вселенной, когда рождаются звезды», — сказал Сузуки. «Мы хотим изучить период Темных веков, потому что он связывает то, как ранняя Вселенная эволюционировала во Вселенную, которую мы видим сегодня». Исследователи ожидают, что водород поглотил часть энергии реликтового излучения на определенной частоте. По мере расширения Вселенной частота смещалась ниже и теперь может восприниматься как радиоволны. LuSEE-Night будет прослушивать частоты от 0,5 до 50 мегагерц, хотя вполне вероятно, что в будущем потребуются более чувствительные эксперименты, чтобы найти слабый сигнал. «Мы ищем этот очень крошечный провал, который потенциально может быть сигналом Темных веков», — сказал Ротермунд. «Мы можем многое узнать о космологии, которая управляется в этот период времени таким образом, чтобы на нее не влияли звезды и другие объекты, которые растут совсем иначе, чем Вселенная в целом».
|
|
Из лаборатории на Луну
|
|
|
|
Для сбора радиоволн LuSEE-Night будет использовать две пары антенн длиной шесть метров от кончика до кончика, но весь эксперимент должен дойти до Луны в кубе со стороной в один метр. Как только LuSEE-Night приземлится, подпружиненные «стакерные» антенны развернутся в нужное положение. Чтобы создать антенную систему для лунного путешествия, исследователи лаборатории Беркли начали с моделирования и моделей, а затем приступили к созданию и испытаниям. Команда направилась на крышу одного из зданий лаборатории Беркли с масштабной моделью одной антенны, уменьшенной с 3 метров до 30 сантиметров. Они использовали передатчик для отправки сигналов на антенну через широко открытое пространство. «Важно определить характеристики наших антенн, чтобы мы были уверены в получаемой информации и настроили ее таким образом, чтобы иметь наилучшие шансы увидеть сигнал Темных веков», — сказал Ротермунд. Команда нашла лучший дизайн, смоделировала диаграмму направленности антенн и откалибровала электронику, чтобы они могли определить, насколько сильный сигнал они принимают.
|
|
|
|
Команда лаборатории Беркли также строит проигрыватель, который будет периодически вращать антенны. Поскольку исследователи ожидают, что сигнал Темных веков будет одинаковым во всех направлениях, любой сигнал, который изменится после вращения, по сути, может быть отфильтрован из данных. Сюда входит радиошум от других планет или галактик или даже вариации, вызванные каменистой поверхностью («лунный реголит») под экспериментом. После успешного технического анализа, проведенного летом, команда теперь работает с Лабораторией космических наук Калифорнийского университета в Беркли и создает модель полета, которая отправится на Луну. Они поставят окончательную антенную подсистему к январю 2024 года, где она будет интегрирована с другими компонентами LuSEE-Night, включая колоссальную 110-фунтовую (50-килограммовую) батарею, которая обеспечит ее работу в течение ночи. Эксперимент отправится на Луну будущим рейсом Commercial Lunar Payload Services (CLPS), выполняемым Firefly Aerospace, и будет собирать данные в течение 18 месяцев.
|
|
|
|
Источник
|
