Супутник, більший за маленьку валізу, може допомогти вченим дослідити один із найтемніших періодів в історії космосу: темряву за 150 мільйонів років до появи перших зірок у Всесвіті.
Космічний корабель, розроблений у Великобританії, називається CosmoCube. Міжнародна дослідницька група під керівництвом Кембриджського університету планує відправити його навколо Місяця, де зворотний бік Місяця міг би перехопити радіоперешкоди від Землі. У цьому надзвичайно тихому середовищі CosmoCube прислухається до надзвичайно слабкого сигналу, що залишився від першого Всесвіту.
Чути сигнал з фронту перших зірок
Вчені називають цей сигнал 21-сантиметровою лінією. Він походить від атомів водню, які існували в період між післясвітінням Великого вибуху та космічним світанком, коли ядерний синтез був активований у перших зірках.
Ніхто безпосередньо не спостерігав за цією главою космічної історії.
CosmoCube шукатиме сигнал, який виник понад 13,5 мільярдів років тому, але його надзвичайно важко виявити із Землі. Іоносфера нашої планети заважає відповідним радіочастотам досягати наземних обсерваторій, тоді як FM-мовлення, супутники та телекомунікації створюють додаткові перешкоди, які можуть перекрити слабкий сигнал із космосу.
Місяць пропонує природне рішення.
Коли CosmoCube проходить позаду Місяця, тіло Місяця блокує радіосигнали від Землі приблизно на 40 хвилин під час кожної двогодинної орбіти. Під час запланованої дворічної місії космічного корабля дослідники сподіваються зібрати майже 1000 годин спостережень за один із останніх малодосліджених періодів у Всесвіті.
Ці вимірювання можуть пояснити, як Всесвіт розвинувся з темного, відносно порожнього місця до багатого всесвіту зірок, галактик та інших структур, яким він є сьогодні.
Проект отримав фінансування від Британського космічного агентства, і дослідники сподіваються, що CosmoCube можна буде запустити протягом наступних п’яти років. Подробиці місії опубліковані Астрономія природи.
Пошуки первісного ефекту темної матерії
CosmoCube був розроблений, щоб досліджувати більшу частину часу до появи перших зірок. Дослідники також сподіваються, що його спостереження проллють світло на темну матерію та її вплив на формування перших космічних структур.
Темну матерію неможливо побачити безпосередньо, але її гравітаційні ефекти важливі для пояснення того, як галактики та інші великі структури утримуються разом.
«Ця втеча водню після Великого вибуху, але до появи перших зірок, сподіваємось, дозволить нам зрозуміти роль темної матерії в ранньому Всесвіті, як вона працювала, щоб злити водень у перші зірки та галактики», — сказав провідний автор, професор Елой де Лера Аседо з Кавендішської лабораторії Кембриджа.
Щоб досягти цього давнього часу, CosmoCube спостерігатиме за радіочастотами від 10 до 50 МГц. Ці частоти в основному недоступні для наземних телескопів, що робить Місяць особливо цінним місцем для експериментів.
«Немає іншого місця, де можна знайти такий захист, щоб виявляти такий слабкий сигнал і в той же час дивитися на весь простір», — сказав Де Лера Аседо, який також пов’язаний з Інститутом космології Кавлі. «Зворотній бік Місяця — насправді єдиний варіант: він вирішує багато проблем одночасно, відкриваючи чисте вікно в дуже ранній Всесвіт».
Перетворення Місяця на радіощит
Після досягнення місячної орбіти CosmoCube розгорне довгу легку радіоантену. Коли космічний корабель рухається повз Місяць, ця антена шукає 21-сантиметровий водневий сигнал із раннього космосу, тоді як поверхня Місяця блокує перешкоди від Землі.
Виявлення такого слабкого сигналу вимагає дуже тривалого часу. Тому CosmoCube постійно контролює та налаштовує свою електроніку за допомогою калібратора з перемиканням Діке. Система чергує спостереження за небом і вимірювання кількох внутрішніх еталонних джерел.
Цей процес призначений для виявлення та видалення тонких флуктуацій або електронного шуму від самого космічного корабля, який інакше можна було б прийняти за сигнал з далекого космосу.
Дослідники виконають додаткову обробку після повернення даних спостережень на Землю. Удосконалені статистичні методи Байєса використовуються, щоб відокремити бажаний сигнал від земного радіовипромінювання, особливо від того, яке створює наша власна галактика.
Комп’ютерне моделювання та вимірювання, зібрані під час місії, також дозволять дослідникам побачити, як антена CosmoCube реагує на різні регіони неба. Потім вчені можуть виправити залишкові зміщення, які можуть впливати на результати.
«Окрім науки унікальною нашою місією є її масштаб: ми досліджуємо найдавніші та найглибші частини темних віків, до яких інші не можуть дістатися, але за допомогою компактної та відносно недорогої платформи», — сказав де Лера Аседо.
Маленький супутник із амбітною місією
Радіомовчання за Місяцем може ставати все більш цінним. США, Індія та інші країни також планують місії для використання незвичайного радіосередовища на зворотному боці Місяця.
Сам CosmoCube містить високоінтегрований мініатюрний радіометр, який поєднує в собі найсучасніші аналогові та цифрові технології з використанням RF Systems on Chip (RFSoCs).
Космічна платформа CosmoCube (SSTL-21) розробляється у Великобританії компанією Surrey Space Technology Limited (SSTL), спеціалізованою компанією з виробництва малих супутників.
Розробка інструменту вже триває. Створюються робочі прототипи лабораторії, проводяться екологічні випробування, а дослідники співпрацюють із галузевими партнерами. Серед академічних партнерів Великобританії – Портсмутський університет і STFC RAL Space, а також беруть участь дослідники з країн ЄС, включаючи Мальту.
Нещодавно команда CosmoCube брала участь у міні-місіях Fast ESA Call for Ideas, запропонована місія коштувала менше 50 мільйонів євро.
«CosmoCube прагне зробити амбітну науку з дуже маленького супутника в складних умовах, і для цього потрібні деякі розумні методи проектування», — сказав співавтор доктор Вілл Грейнджер із STFC RAL Space. «Ми працювали з партнерами по проекту, щоб розробити репрезентативні моделі Місяця та його корисного навантаження. Вони були протестовані на нашому підприємстві, щоб переконатися, що теплові характеристики дозволяють корисному навантаженню працювати та виконувати чутливі вимірювання в різних температурних умовах, які він відчуватиме під час перебування на орбіті навколо Місяця. У майбутньому ми сподіваємося розробити корисне навантаження для підготовки до повної місії».
Нове вікно в темні часи космосу
У разі успіху CosmoCube може показати, що для великих відкриттів про найдавніший Всесвіт не обов’язково потрібні гігантські космічні кораблі.
Натомість компактний супутник, розташований в одному з найтихіших навколоземних радіосередовищ, може дати вченим доступ до періоду, який поки що уникав прямого спостереження.
«Це може стати справжньою історією успіху Великобританії: апаратне забезпечення, програмне забезпечення, додатки та технології — усе це розробляється тут, і це може допомогти нам відповісти на одне з найглибших питань у Всесвіті», — сказала де Лера Аседо.
Робота була частково підтримана Космічною агенцією Великобританії, Фондом Каулі та Радою науково-технічних засобів (STFC), що є частиною UKRI (UKRI). Елой де Лера Аседо є співробітником коледжу Селвін, Кембридж.
