Темные века — одна из самых загадочных эпох в истории Вселенной. Чтобы узнать больше о периоде, когда первые атомы уже возникли, но звезд и галактик еще не было, исследователи предлагают построить телескоп на Луне. «Хайтек» рассказывает, в чем сложность с исследованием космологических темных веков и как будет устроена внеземная обсерватория.
В истории развития Вселенной есть одна эпоха, о которой ученые до сих пор знают очень мало. Как это не удивительно, это не самые первые моменты после Большого взрыва. Самое скрытое время — это темные века, ранняя эпоха космологической истории, начавшаяся примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва.
В эту эпоху не было ни звезд, ни планет. Об истории ранней Вселенной, которая предшествовала темным векам, можно судить по реликтовому излучению. Но до сих пор нет ни одного способа, который бы позволил астрофизикам наблюдать, что происходило в темную эпоху. Хотя радиоволны этого периода все еще существуют в космосе, обилие радиопомех на Земле скрыло эти сигналы от наблюдателей на нашей планете.
Но исследователи не оставляют попыток найти способ услышать сигналы темных веков. Для этого НАСА планирует построить радиотелескоп LuSEE-Night на обратной стороне Луне.
Что такое темные века Вселенной?
Современная космологическая теория описывает раннюю Вселенную как место с чрезвычайно экстремальными условиями. Вся энергия и материя, которые существуют во Вселенной, концентрировались в крошечное пространство, в миллиард раз более горячее, чем центр Солнца.
Уже в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы позволить сформироваться первым элементарным частицам, таким как кварки и электроны. Кварки объединились, чтобы сформировать протоны и нейтроны, и вскоре после этого образовались ядра дейтерия, гелия и лития. Энергия перемещалась по зарождающейся Вселенной в виде фотонов, но этот ранний свет рикошетом отскакивал от свободных электронов, которые еще не были связаны ни с одним атомом, на каждом шагу.
К концу этой эпохи, примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва, Вселенная достаточно остыла, чтобы позволить протонам начать притягивать электроны и впервые образовывать нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией — это общий химический термин, который описывает захват заряженными ионами свободных электронов. В начале темных веков такой захват произошел в первый раз.
Астрофизики знают, какой была Вселенная незадолго до начала темных веков. Когда образовались первые нейтральные атомы, процесс высвободил фотоны света, которые разлетелись по Вселенной, создав «снимок» условий. Это космическое сверхвысокочастотное фоновое или реликтовое излучение, фиксируется до сих пор и показывает, что в то время Вселенная была более или менее однородной по плотности, с очень маленькой рябью.
До образования первых звезд света было немного, помимо атомов водорода, составлявших большую часть барионной материи в это время, большая часть Вселенной состояла из темной материи, которая не излучает свет и вообще не взаимодействует с электромагнитными волнами. Исследователи полагают, что нейтральные атомы водорода, которые заполняли Вселенную, рассеивали или поглощали большинство фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемых самыми первыми звездами.
Вселенная снова стала прозрачной для УФ-излучения после формирования достаточного количества первых звезд и галактик — через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Материя сгустилась и начала формировать структуры, которые сегодня пронизывают Вселенную. Некоторые из первых звезд были массивными и яркими, их свет был достаточно энергичным, чтобы выбить электроны из окружающих атомов водорода в процессе, известном как ионизация. А в отличие от нейтральных атомов ионизированный водород не поглощает и не рассеивает свет.
Почему обратная сторона Луны?
Для изучения распределения нейтрального водорода, который составлял большую часть барионной материи в эпоху темных веков, можно использовать анализ радиолинии нейтрального водорода или линии 21 см. Это сверхтонкий переход нейтрального водорода, видимый на фоне реликтового излучения.
При спонтанном изменении ориентации магнитного момента электрона на противоположную атом нейтрального водорода излучает квант электромагнитного излучения с длиной волны 21,1 см. Такое излучение происходит крайне редко, но в масштабе огромного количества отдельных атомов достаточно мощные, чтобы стать заметными.
В следствие красного смещения, вызванного расширением Вселенной, длина волны линии нейтрального водорода от атомов Темных веков еще больше увеличивается. Это чрезвычайно слабый сигнал, который теряется в множестве радиопомех.
Луна и Земля связаны приливами, а это означает, что естественный спутник вращается вокруг своей оси с той же скоростью, что и вокруг планеты. Это явление называется приливным захватом и именно поэтому Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Обратная сторона спутника защищена от многих источников радиопомех в ночное время собственной массой.
Обратная сторона Луны находится в полной темноте в течение 14 земных дней, за которыми следуют 14 дней интенсивного солнечного освещения. Это приводит к тому, что температура на его поверхности колеблется от −173 °C ночью до +127 °C, причем резкое изменение может произойти в течение нескольких часов.
Такие условия создают очень сложные условия для работы космических аппаратов. Аппараты, которые смогут пережить несколько циклов смены дня и ночи, должны отводить тепло в вакууме в течение дня и не замерзать ночью и при этом работать в темное время, когда Солнце не создает лишних помех.
Как будет работать LuSEE-Night?
LuSEE-Night — это исследовательская миссия НАСА, цель которой — посадить радиотелескоп на обратной стороне Луны и провести самые точные измерения неба на частотах ниже от 0,1 до 50 МГц. Ожидается, что он будет доставлен на Луну в 2025 году и проработает в течение 18 месяцев после приземления.
Телескоп доставят в точку с координатами 23° 48′ 50″ ю.ш. и 176° 49′ 47″ в.д. Это удобная посадочная площадка, расположенная близко к антимеридиану — линии, связывающей полюса спутника и обращенной в противоположную от Земли сторону, где радиопомехи от планеты минимальны. После приземления посадочный модуль LuSEE-Night выключится навсегда, чтобы не создавать помех.
Антенный узел телескопа будет состоять из четырех 3-метровых несимметричных антенн. Она будет установлена на моторизованной платформе, называемой поворотным столом. Перемещение антенны поможет измерять различные комбинации сигналов. Собранные данные LuSEE-Night будет передавать на спутник-ретранслятор, который вращается вокруг Луны и передает данные на Землю.
LuSEE-Night — это не стандартный радиотелескоп. Это скорее радиоприемник. Он будет работать как FM-радио, принимая радиосигналы в той же полосе частот. Спектрометр находится в центре всего этого. Подобно радиотюнеру, он может выделять радиочастоты и преобразовывать сигналы в спектры электромагнитного излучения.
Анже Слосар, физик Брукхейвенской национальной лаборатории, один из разработчиков телескопа LuSEE-Night
Хотя исследователи не уверены, сможет ли телескоп сразу после начала работу зафиксировать радиосигнал от темных веков. Они отмечают, что он — первопроходец, который должен показать, какие данные исследователи в принципе смогут получить на обратной стороне Луны. Возможно, настоящие открытия потребуют новых миссий, но первый шаг всегда один из самых сложных.
Читать далее:
Одна планета может положить конец жизни на Земле: как ученые доказали хрупкость Солнечной системы
Найден клад, который спрятали во время войны почти 1 000 лет назад
Пожар в Нотр-Дам помог ученым раскрыть секрет постройки собора
На обложке: обратная сторона Луны. Изображение: NASA, Public domain, через Викисклад
