Încă din zorii civilizației, oamenii au încercat să înțeleagă Universul. Mai întâi au apelat la mituri, dând astfel Universului o puternică dimensiune spirituală. Apoi, într-un târziu, acum câteva secole, o dată cu perfecţionarea instrumentelor astronomice, oamenii au început, treptat, treptat, să îi înțeleagă mecanismele care stau la baza funcționării lui. Cunoaștem acum fantastic de multe lucruri despre Univers. Dar asta nu înseamnă că nu au rămas nenumărate lucruri care așteaptă încă să fie înțelese. Un exemplu ar fi distribuția hidrogenului în Universul timpuriu, înainte de aprinderea stelelor. Pentru a o putea studia, astrofizicienii vor fi nevoiți să își mute instrumentele pe Lună.
Acest subiect l-am mai atins în treacăt în ediția din mai, 2018, al revistei noastre, în articolul Primele stele. Îl citam acolo pe Jospeph Silk, care, într-un text publicat de revista Nature, făcea apel la instalarea unui radiotelescop pe Lună. ”El ne-ar putea ajuta să răspundem la una dintre cele mai profunde întrebări ale umanității: care este originea noastră cosmică?”, preciza savantul britanic.
Contextul
De ce este atât preocupat Silk de construirea unui radiotelescop pe partea ascunsă a Lunii? Pentru a putea răspunde la întrebare, trebuie să ne aruncăm o scurtă privire către începuturile Universului. La circa 380.000 de ani după Big Bang, Universul, aflat în continuă expansiune, se răcea suficient de mult pentru a permite formarea atomilor primordiali, care în cea mai mare parte erau reprezentați de atomi de hidrogen. În acest moment Universul devine transparent, permițând fotonilor să călătorească prin el. Instrumente astronomice terestre și spațiale ne-au permis să observăm direct această fază de început, prin cartografierea a ceea ce se numește fondul cosmologic de microunde.
A urmat apoi o etapă, care a durat câteva sute de milioane de ani, în care Universul era populat cu imenși nori de hidrogen neutru. Abia mai apoi au început să apară primele stele. Ei bine, această perioadă, numită și ”epoca întunecată”, rămâne o mare enigmă observațională. Avem modele teoretice, dar mult prea puține măsurători. În urmă cu câțiva ani au fost realizați câțiva pași în această direcție, despre ei v-am povestit în articolul Primele stele, de care aminteam mai devreme, dar informațiile obținute sunt, deocamdată neconcludente. Avem nevoie de o nouă categorie de instrumente astronomice, care să ne permită cartografierea norilor de hidrogen neutru din perioada epocii întunecate.
Dar de ce este atât de dificilă această cartografiere? În perioade mai apropiate de zilele noastre, distribuția hidrogenului în Univers se poate determina cu ajutorul radiotelescoapelor. Metoda se bazează pe o descoperire, din 1944, a astronomului olandez Hendrik van de Hulst. El descria, teoretic, următorul fenomen:știm că un atom de hidrogen este format dintr-un proton în jurul căruia se rotește un electron. Spinul acestui electron poate fi orientat în aceeaşi direcție cu spinul protonului (să o numim orientare paralelă) sau într-o direcție opusă (orientare antiparalelă). În cel de-al doilea caz energia totală a atomului este un pic mai mică decât în primul caz. Pe de altă parte, atomii tind totdeauna să se afle în starea de energie minimă și, din acest motiv, în cazul atomilor de hidrogen în care electronii au spinul orientat paralel, ei vor tinde să își schimbe orientarea spinului. Atunci când se produce această schimbare este eliberată o cantitate foarte mică de energie, sub forma unei unde electromagnetice cu lungimea de undă de 21,1 cm (faimoasa lungime de undă a hidrogenului), ceea ce ar corespunde unei frecvențe de 1.420,4 MHz. Deoarece diferența de energie dintre cele două stări, pentru un atom de hidrogen, statistic vorbind, trebuie să treacă mai multe milioane de ani pentru a se produce tranziția amintită mai sus. Dar, având în vedere numărul uriaș de atomi de hidrogen din Univers, semnalul produs poate fi detectat relativ ușor cu ajutorul radiotelescoapelor moderne.
Atunci când vine vorba despre perioada din vremea epocii întunecate, lucrurile se complică dramatic. Trebuie să ținem seama de deplasarea spre roșu a spectrului electromagnetic, o consecință a expansiunii Universului. Dacă ținem cont de ea, radiotelescoapele, care cartografiază distribuția hidrogenului din perioada timpurie a Universului, ar trebui să realizeze observații în domeniul de lungimi de undă cuprins între 20 și 200 m (1,4 și 14 MHz). Aparent nu avem nici o problemă. Domeniul acesta din spectrul electromagnetic poate fi recepționat ușor cu ajutorul unui aparat radio sau al unui televizor, deci nu am avea nevoie de instrumente deosebite. Dar tocmai de aici apare o problemă majoră. Stațiile de radio și televiziune inundă cu semnale electromagnetice tocmai acea zonă care ne interesează atunci când dorim să cartografiem norii de hidrogen din Universul timpuriu. Este ca și cum am încerca să ascultăm o șoaptă dintr-un colț îndepărtat al unei săli în care s-a dezlănțuit un concert de muzică rock.
Pentru a depăși această problemă trebuie căutat un loc mai liniștit, care să nu fie perturbat de zgomotul radio. Există un asemenea loc, chiar în apropierea Pământului. Îl ghiciți? Sunt sigur că da! El se află pe partea ascunsă a Lunii și la el făcea referire Silk. Este nevoie să instalăm radiotelescoape acolo, pentru a putea observa în liniște epoca întunecată a Universului.
Dificultățile atingerii unui obiectiv atât de ambițios sunt evidente. Dar, oricât de mari ar fi ele, avem nevoie de răspunsuri. Trebuie să înțelegem mai bine istoria Universului, pentru a ne înțelege originea. Pentru a le găsi trebuie să înfruntăm dificultățile, pentru a le depăși. Vestea bună este că deja se fac primii pași pentru construirea unui radiotelescop pe fața ascunsă a Lunii.
Misiuni pregătitoare
Deja chinezii au parcurs, foarte timid, o primă etapă. Așa cum știți, pe 3 ianuarie ei au reușit aselenizarea unui lander pe fața ascunsă la Lunii, în cadrul misiunii Chang’e 4. Cu un an mai devreme, Agenția Spațială Chineză, plasa pe orbita lunară un releu de telecomunicații, numit Queqiao. La bordul landerului Chang’e 4, cât și la bordul orbiterului Queqiao se găseau mici module capabile să recepționeze semnalele electromagnetice ale hidrogenului neutru din epoca întunecată. Din nefericire, antenele de la bordul orbiterului nu s-au depliat complet, iar sistemul radio de la bordul landerului a fost puternic afectat de interferențele provocate de echipamentele electronice de la bord. Chiar dacă putem vorbi despre un eșec, trebuie să ținem seama că avem de-a face cu o primă tentativă.
La rândul ei, NASA și-a arătat în ultima vreme preocuparea pentru construirea unui radiotelescop selenar. În anii următori ea a programat câteva misiuni pregătitoare. Prima dintre ele se numește ROLSES (Radiowave Observations at the Lunar Surface of the photoElectron Sheath) și face parte din programul CLPS (Commercial Lunar Payload Services). ROLSES va fin instalat la bordul landerului Nova-C, construit de către compania americană Intuitive Machines, care va pleca înspre Lună la începutul anului 2022, la bordul unui lansator Falcon 9. Pe lander se vor afla mai multe instrumente științifice, printre care și ROLSES, iar aselenizarea se va produce în zona Oceanului Furtunilor, pe fața vizibilă a Lunii. El va avea drept obiectiv științific evaluarea undelor radio de joasă frecvență emise în mod natural de către suprafața lunară. Datele obținute vor juca un rol extrem de important pentru proiectarea viitorului radiotelescop spațial.
Un alt instrument dedicat măsurării interferențelor radio de pe Lună va fi lansat în 2024 și poartă numele LuSEE (Lunar Surface Electromagnetics Experiment). LuSSEE va fi instalat la bordul unui lander care va debarca în zona craterului Schrödinger, aflat pe partea ascunsă a Lunii. Și în acest caz obiectivul științific este caracterizarea undelor electromagnetice de joasă frecvență generate de suprafața lunară. De curând s-a anunțat că pe landerul care va transporta instrumentul LuSEE pe suprafața lunară, va mai fi instalat un alt instrument, numit DAPPER (Dark Ages Polarimetry Pathfinder). În fapt, acesta va fi primul radiotelescop instalat pe suprafața selenară, care va fi capabil să ”vadă” hidrogenul neutru din perioada epocii întunecate. De altfel în anii următori se are în vedere montarea instrumentului DAPPER la bordul unui satelit care se va înscrie pe orbita Selenei.
Radiotelescoape selenare.
Să revenim un pic la programul spațial chinez. Nu am găsit multe detalii despre intenția lor de a amplasa radiotelescoape pe fața invizibilă a Lunii, în schimb am găsit un articol interesant, semnat de un grup de cercetători chinezi condus de către Xuelei Chen, cercetător al secției de Observatoare Astronomice Naționale a Academiei Chineze de Științe. Articolul are titlul ”Discovering the Sky at the Longest wavelengths with a lunar orbit array” și a fost publicat în ediția din 23 noiembrie 2020 a revistei Philosophical Transactions of The Royal Society. Se poate constata ușor, chiar din titlu, că este vorba despre un concept care are în vedere plasarea pe orbita selenară a unei rețele de radiotelescoape. Din text aflăm că se propune ”realizarea unei constelații de de sateliți pe aceeași orbită lunară, prin care să se realizeze o rețea pentru realizarea de observații interferometrice. […] Constelația de sateliți va cuprinde un satelit mamă și un număr de sateliți fii (stabilit provizoriu la 9)”. Sateliții rețelei vor fi plasați pe orbita lunară de către același vehicul spațial, după care se vor separa, pentru a realiza rețeaua interferometrică. Am explicat și cu alte ocazii despre observațiile interferometrice. Metoda a fost folosită cu un deosebit succes pentru realizarea primei fotografii a unei găuri negre. Acum nu voi mai intra în detalii. Voi spune doar că prin această metodă se realizează un radiotelescop virtual, cu diametrul egal cu cel al dimensiunii rețelei. Desigur sunt multe chestii de rezolvat, iar autorii propun soluțiile necesare. Din păcate, nu știu acum dacă Agenția Spațială Chineză are în vedere desfășurarea unui asemenea program, dar sper că îi va veni și vremea lui.
Oricât de complicată ar fi realizarea unei rețele de telescoape pe orbita selenară, construirea uneia pe fața ascunsă a lunii este cu mult mai complicată. Nu uitați, terenul selenar este foarte accidentat și noaptea pe Lună durează aproape două săptămâni, ceea ce impune condiții extrem de severe pentru rețelele de radiotelescoape amplasate pe suprafața selenară. Există deja în pregătire proiecte care sondează procedurile ce se vor desfășura, cândva, nu știu când, pentru a crea o rețea de radiotelescoape pe fața ascunsă a Lunii.
Un asemenea proiect a fost demarat de Centrul German pentru Aeronautică și Astronautică (DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt). În perioada 14 iunie -10 iulie 2021 cercetătorii germani vor demara o amplă operațiune în craterul vulcanului Etna, care face parte dintr-un proiect mult mai general, numit ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies). În acest caz este vorba despre subproiectul ARCHES Lofar (Low Frequency Array). Operațiunea se va desfășura în mai multe etape.
În prima etapă, centrul de control al misiunii va identifica locurile potențiale pentru amplasarea rețelei. Apoi, cu ajutorul unor drone, se va evalua fezabilitatea amplasării antenelor în locațiile alese mai devreme. Vă miră utilizarea dronelor? Nu uitați este vorba despre o misiune exploratorie, care se desfășoară pe Terra. Atunci când se va trece la misiunea selenară, cel mai probabil vor fi folosiți sateliți lunari cu ajutorul cărora se vor obține date topografice de mare rezoluție referitoare la zona aleasă pentru amplasarea rețelei. În cea de-a treia etapă echipa de la centrul de control al misiunii va stabili amplasarea exactă a fiecărei antene din rețea. În cea de-a patra etapă, rovere autonome vor prelua cutiile LOFAR și le vor amplasa în locațiile prestabilite. Urmează deplierea antenelor și calibrarea rețelei. Nici în acest caz nu am idee când această strategie va fu folosită pentru instalarea unei rețele de radiotelescoape pe fața ascunsă a Lunii.
NASA nu avea cum să nu se înscrie în cursa pentru realizarea unui sistem cu ajutorul căruia să putem explora epoca întunecată a Universului. Acest subiect a făcut obiectul unei știri al ediției din luna mai a revistei noastre. Acum vreau să revin cu detalii.
La sfârșitul lunii februarie 2021, NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) anunța că programul LCRT (Lunar Crater Radio Telescope) va trece în faza a doua de dezvoltare și va primi o finanțare de 500.000 $. Dacă nu știți, NIAC este un program NASA prin care sunt finanțate concepte de programe spațiale îndrăznețe. Iar LCRT este cu adevărat îndrăzneț. Imaginați-vă că se propune construirea unei antene cu diametrul de aproape 1.000 m într-un crater selenar. Pentru a avea o imagine mai bună, vă voi spune că cele mai mari antene de radiotelescop de pe Terra nu depășesc un diametru de 500 m.
Totuși, având în vedere complexitatea operațiunilor selenare, se va opta către o variantă simplă a unei antene de radiotelescop, astfel încât să nu fie necesară transportarea unei cantități mari de materiale pe Selena și efectuarea unor operații complexe de asamblare. Cercetătorii au propus realizarea unei antene dintr-o plasă de sârmă, care va fi transportată, într-o bucată (pliată, desigur) într-un crater cu diametrul de circa 3 km. Separat, în același crater, vor ajunge câteva rovere modulare de tipul DuAxel, dezvoltate de către JPL. Patrick Mcgarey, cercetător la JPL arăta într-un comunicat de presă că ”DuAxel rezolvă problemele asociate cu suspendarea unei antene în interiorul unui crater lunar. Roboții DuAxel se pot deplasa în interiorul craterului, agăța firele, după care le întind și le ridică pentru a suspenda antena.”
Instalarea antenei este o problemă complicată. Dar adevărata provocare va fi proiectarea ei. Pentru a-și menține forma parabolică și distanța dintre fire, plasa trebuie să fie rezistentă, flexibilă și suficient de ușoară pentru a putea fi transportată, într-o singură bucată, pe Lună. Antena va trebui să fie capabilă să reziste la diferențe mari de temperatură (- 173 grade Celsius pe timpul nopții și 127 de grade Celsius pe timpul zilei) fără a se deforma.
În următorii doi ani, echipa LCRT va trebui să identifice și alte provocări legate de construirea unui radiotelescop pe fața ascunsă a Lunii. Abia mai apoi se va putea trece la proiectarea propriu-zisă. Nici de această dată nu cunosc un orizont de timp pentru materializarea acestei idei îndrăznețe.
Încheiere
Aștept cu nerăbdare datele pe care le vor transmite primele radiotelescoape selenare. De fapt, nu datele le aștept (sunt greu de înțeles de către un profan, cum sunt eu), ci concluziile la care vor ajunge oamenii de știință. Există speranța că ele vor contrazice modelele cosmologice actuale. Istoria ne-a demonstrat că, tocmai infirmarea modelelor științifice acceptate la un moment dat, duce la o accelerare a evoluției științei. Știu că va trece mult timp până la instalarea primului radiotelescop pe fața ascunsă a Lunii. Sper ca până atunci să nu ne apucăm să ducem acolo tot soiul de chestii care să polueze electromagnetic acest loc liniștit din relativa noastră apropiere.
