Сигнал «космических тёмных веков» с длиной волны 21 см невозможно зафиксировать с Земли из-за помех ионосферы и радиоизлучений
Международная команда астрономов предложила запустить кубсат CosmoCube, который будет собирать данные с обратной стороны Луны, используя её как естественный экран
За двухлетнюю миссию аппарат накопит около 1000 часов наблюдений в сверхнизких частотах, что позволит изучить роль тёмной материи в формировании первых звёзд
Прототипы спутника уже проходят тепловые испытания, а запуск возможен в течение пяти лет, однако конкуренция за тишину на Луне со стороны США и Индии ускоряет сроки
Большой взрыв, возможно, положил начало всему, что мы знаем и любим, но поначалу похвастаться было особенно нечем. После колоссального выброса первоначальной энергии потребовалось около 150 миллионов лет, прежде чем начали формироваться первые звёзды. Этот «космический тёмный век» был сравнительно спокойным, но далеко не безмолвным. Едва уловимый сигнал той эпохи, известный как линия 21 сантиметр из-за своей длины волны в вакууме, технически обнаружим — вот только с Земли наблюдать его почти безнадёжно. Ионосфера планеты попросту не пропускает эти частоты к наземным телескопам, а FM-радио, вышки связи, авиационные системы и спутниковые помехи добивают то, что до антенн всё же долетает.
Так спутник CosmoCube выглядит в представлении художника. Источник изображения — popsci.com
Почему сигнал 21 см так трудно поймать
Астрофизики знают, что линия 21 см рождается атомами водорода, появившимися более 13,5 миллиарда лет назад — между послесвечением Большого взрыва и космическим рассветом. Но напрямую наблюдать этот древний период до сих пор не удавалось никому. Расширение Вселенной растянуло исходную длину волны в десятки раз, поэтому до нас сигнал доходит уже в диапазоне 10–100 МГц — то есть ровно там, где Земля шумит громче всего.
Осложняет дело и то, что сам сигнал исчезающе слаб: его амплитуда на несколько порядков меньше фонового излучения нашей же Галактики. Именно поэтому громкая заявка радиотелескопа EDGES в Австралии, объявившего в 2018 году о регистрации похожего провала в спектре, вызвала у научного сообщества больше вопросов, чем восторга, — независимого подтверждения результат так и не получил.
Луна как естественный радиощит
Недавно предложенное решение может наконец дать возможность заглянуть в это далёкое прошлое. Для этого понадобится специально разработанный спутник размером примерно с ручную кладь. Как объясняет международная команда астрономов в журнале Nature Astronomy, аппарат CosmoCube отправится к Луне и использует её как щит от всех планетарных помех.
У аппарата будет около 40 минут на обратной стороне Луны в течение каждых двух часов витка — этого хватит, чтобы за предполагаемую двухлетнюю миссию накопить порядка 1000 часов данных на сверхнизких частотах. После обработки эти сведения помогут заполнить пробелы в одном из наименее изученных периодов Вселенной. Один из главных вопросов касается тёмной материи и того, как эта незримая масса стягивала водород в сгустки, из которых потом зажглись первые звёзды и собрались первые галактики.
«Нет другого места, где можно получить такую степень экранирования, необходимую для обнаружения столь слабого сигнала, одновременно наблюдая всё космическое пространство», — пояснил Элой де Лера Аседо, соавтор исследования и астроном из Кембриджского университета. «Обратная сторона Луны — действительно единственный вариант: она решает сразу несколько задач, открывая чистое окно в раннюю Вселенную».
Что представляет собой аппарат
CosmoCube строится по стандарту 12U — это коробка размерами примерно 23 × 23 × 36 см и массой в пару десятков килограммов. Такой формат резко удешевляет и ускоряет разработку: почти вся служебная начинка берётся готовой, а силы разработчиков уходят на научный прибор. Ключевые параметры проекта выглядят так:
- Рабочий диапазон — от 10 до 100 МГц, что соответствует красным смещениям примерно от 13 до 150.
- Приёмник — радиометр на однокристальной системе с встроенными аналого-цифровыми преобразователями, с крайне низким энергопотреблением.
- Антенна — лёгкая, раскрывающаяся уже на орбите.
- Срок работы — около двух лет активных наблюдений.
- Полезный интервал — примерно 40 минут радиотишины на каждом двухчасовом витке.
Слушая самые ранние отголоски Вселенной, аппарат будет постоянно перепроверять сам себя, попеременно обращаясь к бортовым эталонам и к окружающему пространству. Эти непрерывные сверки помогут отделить собственные шумы прибора от того, что можно принять за космический сигнал. Уже после завершения миссии астрономы применят математические модели, чтобы вычистить остаточный фон — прежде всего излучение нашей Галактики и ложные срабатывания.
Сроки и конкуренты
«CosmoCube нацелен на амбициозную науку с помощью очень маленького спутника в сложных условиях, и для этого требуются изобретательные конструкторские решения», — отметил Уилл Грейнджер, соавтор исследования и астроном из Национальной космической лаборатории Великобритании.
Команда уже работает с партнёрами над образцами CosmoCube: сейчас они проходят испытания на тепловые режимы — один из самых болезненных пунктов для аппарата, который каждые два часа перескакивает из солнечного света в лунную тень. При дополнительном финансировании разработчики рассчитывают подготовить спутник к запуску в течение пяти лет.
Тем не менее время имеет решающее значение. И США, и Индия уже нацелились на обратную сторону Луны: американский посадочный аппарат LuSEE-Night собирается слушать сверхнизкие частоты прямо с поверхности, а индийский проект PRATUSH готовит собственный лунный радиометр. Свои низкочастотные приборы выводили к Луне и Китай с европейскими партнёрами. Чем плотнее становится лунное движение, тем выше риск, что уникальная радиотишина на обратной стороне спутника Земли перестанет быть девственной раньше, чем её успеют использовать по назначению.
