Оптическая интерферометрия - это давно зарекомендовавший себя научный метод, который предполагает использование нескольких отдельных телескопов в качестве одного большого телескопа, что позволяет получать более точные данные, в отличие от работы каждого телескопа по отдельности. Однако хаотичная атмосфера Земли часто затрудняет проведение наземных научных исследований, но что, если бы мы могли сделать это на Луне?
Именно на это направлено недавнее исследование, представленное на выставке SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2024 и доступное на сервере препринтов arXiv, поскольку команда исследователей предлагает MoonLITE (исследователь лунной интерферометрии) в рамках программы НАСА "Пионеры астрофизики".
Это также произошло после того, как та же группа исследователей недавно предложила построить на Земле телескоп Big Fringe Telescope (BFT), который представляет собой 2,2-километровый интерферометрический телескоп для наблюдения за яркими звездами.
В этой статье Universe Today обсуждает MoonLITE с доктором Джерардом ван Беллом, астрономом из обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона, о мотивации, стоящей за предложением MoonLITE, научных достижениях, которые они надеются достичь, предпочтениях в отношении местоположения на лунной поверхности, стоимости MoonLITE и дальнейших шагах по воплощению MoonLITE в жизнь. Итак, какова мотивация, стоящая за предложением MoonLITE?
"Реальным препятствием для проведения сверхчувствительной оптической интерферометрии с высоким разрешением является атмосфера Земли", - говорит доктор ван Белль. "Это кипящая, турбулентная среда, из-за которой время экспозиции вашего телескопа в конечном счете ограничено менее чем миллисекундой или около того.
"Телескопы, которые выставляют изображение дольше этого срока, могут достичь большей чувствительности, но за счет углового разрешения изображение размывается. Камера MoonLITE с двухдюймовыми (50 мм) отверстиями была бы более чем в тысячу раз чувствительнее, чем земные 8-метровые камеры для сбора данных, поскольку она может работать в течение многих минут.
По сравнению с миллисекундным временем экспозиции на Земле, количество света, улавливаемого этими крошечными телескопами размером с десятицентовый магазин, превышает количество света, получаемого телескопами на гигантских промышленных объектах, в течение первой секунды после открытия затвора".
Как и в случае с недавно предложенным BFT, MoonLITE ставит перед собой ряд научных целей, которые он надеется достичь, поскольку в исследовании рассматриваются три научных примера, включая изучение радиусов звезд с малой массой (M-карликов) и коричневых карликов, молодых звездных объектов (YSO) и активных ядер галактик (AGN).. Что касается М-карликов и коричневых карликов, то команда стремится получить долгожданные данные об их размерах и температурах, поскольку наблюдение за ними с помощью наземных телескопов оказалось затруднительным.
Что касается YSOs, то исследователи надеются получить более полное представление о формировании и эволюции пригодных для жизни экзопланет в протопланетных дисках звезд до главной последовательности, поскольку MoonLITE также способен определить внутренние области этих звезд и их размеры.
Что касается AGNs, то исследователи стремятся узнать больше о сверхмассивных черных дырах и, в частности, о струях, которые из них исходят, поскольку MoonLITE впервые может наблюдать эти объекты в оптическом диапазоне длин волн. Но что еще мы можем узнать из этих трех научных примеров?
"Итак, на самом деле у нас гораздо больше научных исследований — так много, что мы поняли, что новые возможности MoonLITE, охватывающие все аспекты, находятся за пределами нашего коллективного воображения", - говорит доктор ван Белль. "Итак, мы выделили в программе 20% от общего времени наблюдения, чтобы сообщество могло провести конкурсный отбор — ну, знаете, краудсорсинг для действительно креативных идей.
"Три из них, которые мы описали, были как раз тем, что, по нашему мнению, подчеркивало то, что можно было бы сделать с большей чувствительностью с поверхности Земли. Например, самые маленькие звезды — 10% размера нашего Солнца — также являются самыми тусклыми. И измерение их размеров недоступно для наземных интерферометров.
"То же самое для YSO и AGN — есть несколько снимков, которые можно сделать с Земли, но для более общих образцов — тех, которые представляют более типичные объекты, а не сверхяркие странные объекты - требуется высокая чувствительность".
Одним из уникальных аспектов MoonLITE является то, что он может быть доставлен на поверхность Луны с помощью коммерческой лунной службы полезной нагрузки НАСА (CLPS), которая сотрудничает с частным сектором в доставке научно-технической полезной нагрузки на Луну для тестирования технологий, которые могут помочь в обеих миссиях человека в рамках программы Artemis, а также научные миссии, направленные на углубление нашего понимания Вселенной, такие как MoonLITE.
Примерами компаний, участвующих в предстоящих миссиях CLPS, являются Intuitive Machines, Astrobiotic, Firefly Aerospace и Draper, которые доставляют полезные грузы в различные точки на поверхности Луны. Но есть ли конкретное место, где MoonLITE будет работать лучше всего?
"Мы разработали MoonLITE таким образом, чтобы он не зависел от местоположения", - говорит доктор ван Белл. "В рамках такого небольшого эксперимента, как этот, вы сможете прокатиться на борту посадочного модуля NASA CLPS в качестве второстепенного гостя, а выполнение минимального количества требований к вашей поездке повышает ваши шансы получить назначение на поездку. Таким образом, работают как полярные, так и экваториальные широты, а также ближняя и дальняя стороны".
Как уже отмечалось, эта же команда исследователей недавно предложила проект Big Fringe Telescope, который должен представлять собой 2,2-километровый интерферометрический телескоп, состоящий из 16 телескопов меньшего размера диаметром 0,5 метра. Наряду с передовыми научными достижениями, включая наблюдение за двойными звездными системами и съемку "фильмов" о транзите экзопланет, одной из наиболее примечательных особенностей BFT является его чрезвычайно низкая стоимость по сравнению с современными оптическими интерферометрами по всему миру, ориентировочная цена которых составляет 28 496 000 долларов.
Напротив, стоимость интерферометра Very Large Telescope Европейской южной обсерватории (VLTI), который состоит из четырех 8,2-метровых телескопов и четырех подвижных 1,8-метровых телескопов, оценивается в сотни миллионов долларов. Итак, какова потенциальная стоимость MoonLITE по сравнению с другими земными интерферометрами?
"MoonLITE был разработан таким образом, чтобы работать в рамках программы NASA Pioneers call for proposals", - говорит доктор ван Белль. "Этот CfP [Конкурс проектов] предусматривает несколько условий: ограничение затрат в размере 20 миллионов долларов, включая 25% неиспользованного резерва, таким образом, фактический объем работ и оборудования, запланированный в бюджете, составил 15 миллионов долларов.
CfP действительно позволяет вам заказывать некоторые вещи — во-первых, поездку на CLPS, хотя в этом случае вам придется уложиться в предельную массу CLPS в 50 кг. Предполагаемый посадочный модуль CLPS в рамках CfP должен был обеспечить и некоторые другие возможности — питание, связь, мобильность с помощью марсохода. Таким образом, на самом деле в поездке на CLPS заложена значительная поддержка в натуральной форме."
Подача заявки в НАСА - это очень тщательный процесс, включающий в себя несколько этапов, также известных как фазы, что приводит к очень небольшому проценту одобрения, часто с несколькими отклонениями и доработками, прежде чем она будет принята. Эти предложения варьируются от кубсатов до полномасштабных космических миссий стоимостью в несколько миллиардов долларов, причем большинству из них требуются годы, чтобы стать реальными даже после отбора, если они вообще будут реализованы.
Например, из четырех предложений, отобранных для дальнейшей разработки в рамках программы "Пионеры астрофизики" в январе 2021 года (Aspera, Pandora, StarBurst и PUEO), только два из них имеют окончательные даты запуска (StarBurst в 2027 году и PUEO в 2025 году).
Поэтому, если MoonLITE будет выбран для продвижения, могут пройти годы или даже десятилетия, прежде чем он официально приземлится на поверхность Луны для проведения научных исследований. К сожалению, хотя доктор ван Беллс говорит, что срок подачи заявок на участие в программе Pioneers 2024 был отменен из-за проблем с федеральным бюджетом, каковы следующие шаги, чтобы воплотить MoonLITE в жизнь?
"Мы подали заявку на участие в конкурсе NASA Pioneers call 2023 года, но нам было отказано", - говорит доктор ван Белл. "Но мы получили хороший отзыв, и нас поощрили к улучшению работы, устранению выявленных проблем и повторной подаче заявки. Мы пытаемся снизить риск, проводя некоторые лабораторные и наземные испытания.
"Это еще один приятный элемент MoonLITE — мы можем просто создать репрезентативную систему на земле и протестировать ее прямо здесь. У нас нет такой высокой чувствительности, как на Луне, но в остальном все будет работать точно так же — нам просто нужно смотреть на яркие объекты здесь, с Земли. Поэтому мы очень хотим обсудить некоторые из этих вопросов с экспертной комиссией и повторно представить их на рассмотрение в 2025 году".
Поскольку НАСА готовится отправить людей обратно на Луну в рамках программы Artemis впервые с 1972 года, уровень науки, который может быть достигнут на лунной поверхности, беспрецедентен. Это особенно очевидно, учитывая отсутствие атмосферы на Луне, что позволяет получать более точные данные и потенциально позволяет ученым лучше понять нашу Вселенную и наше место в ней.
С помощью MoonLITE ученые надеются получить представление о звездах с малой массой и коричневых карликах, молодых звездных объектах и активных ядрах галактик, возможно, из любой точки лунной поверхности, что позволит более разнообразно выбирать места для наблюдений и какие небесные объекты можно наблюдать.
В заключение доктор ван Белль говорит в интервью Universe Today: "MoonLITE - это очень увлекательный эксперимент не только потому, что это действительно эффективный эксперимент в удивительно доступной упаковке, но и потому, что он покажет, что весь подход работает и может быть применен гораздо шире.
"Например, высокоточная астрометрия с помощью лунного интерферометра могла бы охарактеризовать массы внесолнечных планет земного масштаба. В преддверии создания обсерватории обитаемых миров в 2040-х годах необходимы массовые измерения, чтобы понять спектральный состав, который получит HWO, и распознать в этих спектрах признаки жизни".
