На этой иллюстрации художник показывает LuSEE-Night на космическом аппарате Blue Ghost, который должен доставить эксперимент на дальнюю сторону Луны.

В ближайшие годы Луна станет популярным объектом для космических программ во всём мире. К 2025 году в рамках миссии НАСА «Артемида-3» на обратную сторону Луны впервые с момента окончания эры «Аполлон», завершившейся более пятидесяти лет назад, будут высажены первые астронавты («первая женщина и первый цветной»). К ним присоединятся несколько космических агентств, которые в соответствии с Соглашением Артемиды отправят на поверхность Луны европейских, канадских, японских и других астронавтов. Вскоре к ним присоединятся тайконавты (Китай), космонавты (Россия) и вьоманавты (Индия), которые будут проводить столь же многообещающие исследования и разведку.

Наличие на орбите и поверхности Луны таких объектов, как базовый лагерь «Артемида», Международная лунная исследовательская станция и другие, позволит проводить всевозможные научные исследования, которые невозможны на Земле или на околоземной орбите. В том числе и радиоастрономические — радиотелескопы на дальней стороне Луны будут свободны от земных помех и достаточно чувствительны, чтобы засечь излучение из ранее не исследованных космологических периодов. Именно с этой целью в следующем году на Луну отправится исследовательский проект Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night (LuSEE-Night), который в течение 18 месяцев будет слушать космос!

Долгое время астрономам не удавалось изучить один из самых ранних периодов космической эволюции, известный как «тёмные века» Вселенной. Он соответствует ��ериоду, начавшемуся примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва, когда Вселенная была заполнена нейтральным водородом, из которого начали формироваться первые звёзды и галактики. Со временем первые звёзды (население III) сформировали галактики, и их излучение постепенно ионизировало нейтральный водород, что привело к периоду, известному как «Космический рассвет» (или «Эпоха реионизации»), наступившему примерно через миллиард лет после Большого взрыва.

Кадр компьютерного моделирования Illustris показывает массивное скопление галактик вместе с тёмной материей (синий цвет) и облаками газа (оранжевый цвет).

Это привело к тому, что Вселенная стала прозрачной для света и, следовательно, видимой для наших приборов сегодня. Но поскольку первые звёзды и галактики образовались именно в «тёмные века», астрономы стремятся изучить этот период, чтобы проследить эволюцию космических структур с самого начала. К сожалению, единственными источниками света в это время были излучение, оставшееся после Большого взрыва и видимое сегодня как реликтовое излучение, и фотоны, высвобождающиеся при образовании первых нейтральных атомов водорода и их переходе в стабильные состояния (рекомбинация и распад).

Этот свет сегодня виден только как спектральная линия, возникающая при изменении энергетического состояния нейтрального водорода и известная как 21-см линия или «водородная линия». Эту линию не засечь с Земли: атмосфера поглощает, преломляет и отражает эти радиосигналы до того, как наземные приборы смогут их обнаружить. Более того, любые радиосигналы, проходящие такое большое расстояние в пространстве (и времени), будут заглушены радиопомехами, создаваемыми нашими наземными источниками: электронными устройствами, радиовышками, спутниками связи и т.д.

Однако у Луны есть преимущество: она действует как экран, блокируя радиоволны, приходящие с Земли. При этом на дальней стороне Луны условия «радиотишины» и отсутствие помех от земных источников позволят чувствительным радиоантеннам обнаружить излучение этой древней эпохи. И наконец, что не менее важно, радиоантенны смогут собирать данные во время лунных ночей (которые длятся две недели), когда радиоволны от Солнца также не будут создавать помех. В связи с тем, что в ближайшие годы ожидается несколько полётов на Луну, было выдвинуто множество предложений по созданию лунных радиообсерваторий.

Кая Ротермунд (Kaja Rotermund), постдокторант из лаборатории Беркли, работавшая над созданием антенны, сказала в недавнем пресс-релизе лаборатории Беркли:

«Если вы находитесь на дальней стороне Луны, то у вас есть нетронутая, радиоспокойная среда, из которой можно попытаться обнаружить этот сигнал из "тёмных веков". LuSEE-Night — это миссия, показывающая, можем ли мы проводить подобные наблюдения из места, в котором мы никогда не были, а также в частотном диапазоне, который мы никогда не могли наблюдать».

Проект LuSEE-Night — это совместная работа NASA и Министерства энергетики США с партнёрами из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), Брукхейвенской национальной лаборатории, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Миннесоты. В настоящее время сотрудники лаборатории Беркли строят антенну для эксперимента, которая будет прослушивать космос на предмет радиоволн, исходящих из Тёмных веков. Эксперимент планируется запустить на Луну к 2025 году, где он будет тестировать технологии в лунных условиях.

Хотя лунные радиообсерватории будут иметь много преимуществ перед земными, они также столкнутся со значительными трудностями, обусловленными экстремальными условиями. Среди них — экстремальные перепады дневных и ночных температур в районе южной полярной области Луны, которые продолжаются в течение двух недель подряд. В течение лунного дня температура может дос��игать 120 °C, а ночью опускаться до -173 °C. Поскольку дальняя сторона Луны никогда не обращена к Земле, прямая связь невозможна, поэтому все данные должны передаваться через спутник-ретранслятор. Аритоки Судзуки (Aritoki Suzuki), возглавляющий проект по созданию антенны в лаборатории Беркли, сказал:

«Сама по себе идея посадки научного прибора на дальнюю сторону Луны — это огромное достижение. Если мы сможем продемонстрировать, что это возможно, что мы можем добраться туда, развернуть и пережить ночь, это откроет поле для сообщества и будущих экспериментов».

Для сбора радиоволн из древней Вселенной LuSEE-Night будет использовать две пары антенн длиной 6 м. Антенны сконструированы таким образом, чтобы их можно было свернуть и поместить в обтекатель полезной нагрузки размером всего один метр. После того как аппарат окажется на поверхности Луны, LuSEE-Night с помощью пружины развернёт его в нужное положение. Чтобы подготовить систему к транспортировке, команда лаборатории Беркли начала с моделирования и симуляций, затем разработала модель эксперимента в масштабе 1/100 и испытала её на крыше одного из зданий лаборатории.

Команда лаборатории Беркли также строит поворотный стол, который будет периодически поворачивать антенны для коррекции радиопомех от других планет, галактик и даже отклонений, вызванных лунным реголитом, на котором будет стоять аппарат. Этим летом команда завершила техническую экспертизу и теперь совместно с лабораторией космических наук Калифорнийского университета в Беркли работает над созданием лётной модели, которая отправится на Луну. К январю 2024 года планируется завершить создание антенной подсистемы и интегрировать её с другими компонентами. Запуск готового эксперимента будет осуществлён в 2025 году компанией Firefly Aerospace в рамках программы NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS).