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 периоду, 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 достигать 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).