Mały satelita wykorzysta niewidoczną stronę Księżyca jako naturalną osłonę. Dzięki temu ma zajrzeć w kosmiczne wieki ciemne.
Ziemia jest fatalnym miejscem do słuchania najstarszych radiowych szeptów Wszechświata. Wszędzie nadają radia, satelity i systemy łączności, a dodatkowo przeszkadza sama jonosfera. Naukowcy chcą więc wysłać niewielkiego CosmoCube’a na orbitę Księżyca i przez chwilę podczas każdego okrążenia chować go za Srebrnym Globem. Księżyc stanie się ogromną tarczą blokującą cały hałas naszej planety.
Księżyc ma po prostu zasłonić Ziemię
CosmoCube ma być niewielkim satelitą rozmiarów małej walizki podręcznej. Nie wyląduje on jednak na Księżycu. Zamiast tego będzie krążył wokół niego, wykonując jedno okrążenie mniej więcej co 2 godz. Najciekawszy moment nastąpi wtedy, gdy znajdzie się nad niewidoczną z Ziemi stroną Księżyca. Przez około 40 min Srebrny Glob będzie znajdował się dokładnie pomiędzy satelitą a naszą planetą i fizycznie odetnie docierające z niej fale radiowe.
To astronomiczna wersja schowania się za grubą ścianą, tyle iż ściana ma średnicę prawie 3500 km. Ziemia jest dzisiaj ogromnym nadajnikiem. Radio FM, telewizja, łączność lotnicza, telefony, radary i satelity wypełniają otoczenie naszej planety sygnałami wielokrotnie silniejszymi od tego, czego chce szukać CosmoCube. Dodatkową przeszkodą jest jonosfera, czyli zjonizowana część górnej atmosfery, która silnie wpływa na fale radiowe o bardzo niskich częstotliwościach.
Księżyc rozwiązuje oba problemy jednocześnie. Po jego niewidocznej stronie nie ma Ziemi na niebie, a satelita znajduje się daleko poza jej atmosferą.
Chcą usłyszeć sygnał sprzed ponad 13,5 mld lat
Celem nie jest jednak nasłuchiwanie obcych cywilizacji. CosmoCube ma szukać jednego z najbardziej podstawowych sygnałów istniejących w kosmosie – promieniowania neutralnego wodoru.
Chodzi o tzw. linię 21 cm. Powstaje ona w wyniku bardzo subtelnej zmiany stanu atomu wodoru i w warunkach laboratoryjnych odpowiada częstotliwości około 1420 MHz. Wodór jest najprostszym i najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie, dlatego jego promieniowanie może stać się wyjątkowym narzędziem do odtworzenia historii młodego kosmosu.
Jest tylko jeden haczyk. Sygnał, którego szukają naukowcy, podróżuje do nas przez ponad 13,5 mld lat. W tym czasie Wszechświat ogromnie się rozszerzył, a razem z nim rozciągnięta została długość fali promieniowania. To tzw. przesunięcie ku czerwieni. Im starszy sygnał, tym mocniej jest rozciągnięty i tym niższą częstotliwość rejestrujemy obecnie.
Właśnie dlatego CosmoCube ma prowadzić obserwacje na niezwykle niskich częstotliwościach, przede wszystkim w zakresie od około 10 do 50 MHz. To tam mogą znajdować się informacje o okresie praktycznie niedostępnym dla współczesnych teleskopów naziemnych.
Był czas, gdy we Wszechświecie nie świeciła ani jedna gwiazda
Około 380-400 tys. lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat ostygł na tyle, iż elektrony mogły połączyć się z jądrami atomowymi. Powstał neutralny wodór, a przestrzeń stała się przezroczysta dla promieniowania. Z tego okresu pochodzi kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, które astronomowie potrafią dziś obserwować z ogromną dokładnością. Potem następuje jednak problem.
Pierwsze gwiazdy jeszcze nie istniały. Nie było galaktyk w znanej nam postaci ani innych jasnych obiektów, które można byłoby zwyczajnie zobaczyć teleskopem. Rozpoczął się okres nazywany kosmicznymi wiekami ciemnymi. Trwał on dziesiątki milionów lat. Pod wpływem grawitacji materia zaczynała się powoli grupować, tworząc struktury, z których później narodziły się pierwsze gwiazdy i galaktyki. To jeden z najgorzej poznanych rozdziałów historii Wszechświata.
Linia 21 cm może działać trochę jak kosmiczny termometr. Jej intensywność oraz kształt zawierają informacje o temperaturze gazu i procesach, które zachodziły w nim w kolejnych okresach. Naukowcy chcą w ten sposób prześledzić drogę od wieków ciemnych, poprzez narodziny pierwszych gwiazd, aż do epoki rejonizacji, gdy ich promieniowanie zaczęło ponownie jonizować wypełniający kosmos wodór.
W sygnale może ukrywać się też informacja o ciemnej materii
Na tym możliwości się nie kończą. Obserwacje mogą pomóc ustalić, jak we wczesnym Wszechświecie zachowywała się ciemna materia. Nie widzimy jej bezpośrednio, ale obserwujemy jej wpływ grawitacyjny na zwykłą materię. To właśnie powstające skupiska ciemnej materii miały tworzyć swego rodzaju rusztowanie, do którego przyciągany był gaz. Z czasem w takich zagęszczeniach mogły rodzić się pierwsze gwiazdy i galaktyki.
Jeżeli pomiędzy ciemną materią a zwykłą materią zachodziły dodatkowe oddziaływania albo sama ciemna materia miała inne adekwatności, niż zakładają najprostsze modele, powinno to pozostawić ślad w temperaturze neutralnego wodoru. A więc również w sygnale 21 cm. Właśnie dlatego niewielki satelita może stać się sondą do badania fizyki, której nie da się odtworzyć w laboratorium.
Każde schowanie się za Księżycem potrwa tylko kilkadziesiąt minut, ale naukowcy chcą powtarzać obserwację przez około 2 lata. W sumie CosmoCube ma zebrać około 1000 godz. danych wykonanych w warunkach radiowej ciszy.
Satelita rozłoży w przestrzeni lekką antenę radiową. Sam odbiornik również musi być niezwykle dokładnie kontrolowany, bo przy tak słabym sygnale choćby minimalne zmiany temperatury elektroniki mogą wyglądać jak coś pochodzącego z kosmosu.
Dlatego CosmoCube będzie regularnie porównywał obserwowane niebo z własnymi źródłami referencyjnymi i korygował zachowanie instrumentu. Później trzeba będzie jeszcze oddzielić poszukiwany sygnał od znacznie silniejszego promieniowania naszej Drogi Mlecznej. To trochę jak próba usłyszenia szeptu dobiegającego z drugiego końca stadionu. Samo wyłączenie głośników nie wystarczy. Trzeba jeszcze odfiltrować szum całego otoczenia.
Pomysł radioteleskopu po drugiej stronie Księżyca nie jest nowy
Astronomowie od lat patrzą na niewidoczną stronę Księżyca jak na jeden z najcenniejszych obszarów dla przyszłej radioastronomii. Na Spider’s Web pisaliśmy już o LuSEE-Night, czyli radioteleskopie przeznaczonym do pracy na niewidocznej stronie Księżyca. Jeszcze bardziej ambitne koncepcje zakładają budowę ogromnych instalacji bezpośrednio na jego powierzchni. Jednym z pomysłów jest radioteleskop wykorzystujący księżycowy krater. Taka konstrukcja mogłaby obserwować zakres fal praktycznie niedostępny z powierzchni naszej planety.
CosmoCube idzie jednak zupełnie inną drogą. Zamiast budować wielką infrastrukturę na Księżycu, chce zabrać stosunkowo niewielki instrument na jego orbitę i wykorzystywać naturalną osłonę tylko podczas odpowiedniego fragmentu każdego okrążenia.
Na razie misja pozostaje projektem rozwijanym przez międzynarodowy zespół kierowany przez University of Cambridge. Powstają już prototypy instrumentów, a brytyjska agencja kosmiczna finansuje dalsze prace projektowe. Twórcy zakładają możliwość startu w perspektywie około 4-5 lat.
Jest przy tym pewna ironia. Naukowcy chcą uciec za Księżyc przed hałasem wytwarzanym przez człowieka, ale czas działa przeciwko nim. Im więcej lądowników, satelitów nawigacyjnych i systemów komunikacyjnych pojawi się w otoczeniu Księżyca, tym trudniej będzie zachować tam radiową ciszę. Jedno z najlepszych miejsc do słuchania młodego Wszechświata może więc być wyjątkowo cenne właśnie dlatego, iż ludzkość nie zdążyła jeszcze zrobić w nim dużego hałasu.
*Źródło grafiki wprowadzającej: University of Cambridge
