CosmoCube: Mėnulio užnugariu klausantis kosmoso istorijos

Įsivaizduokite mažytę erdvėlaivį, ne didesnę už rankinį bagažą, plaukiojantį iš Žemės orbitos ir slenkantį į Mėnulio šešėlį tarsi laivą, įplaukiantį į uostą naktį. Kiekvienos orbitos trumpu langeliu jis sėdės už Mėnulio, apsaugotas nuo mūsų planetos nesibaigiančio radijo šurmulio, ir klausysis šnabždesio, kuris sklinda nuo laikų prieš pirmųjų žvaigždžių uždegimą.

Tas klausos postas yra CosmoCube, Jungtinėje Karalystėje vadovaujama misija, sukurta pasiklausyti Visatos vadinamųjų tamsiųjų amžių. Tai laikotarpis, maždaug 150 milijonų metų trunkantis, po Didžiojo sprogimo aureolės išblukimo ir prieš Kosminę Aušrą, kai pirmos žvaigždės įsiplieskė. Astronomai įtaria, kad neutralus vandenilis tuo metu paliko silpną piršto atspaudą labai žemuose radijo dažniuose. Aptikti tą 21 centimetrų liniją, kuri dėl raudono poslinkio pasislinko į maždaug 10–50 MHz diapazoną, būtų tarsi rasti kosmoso fosilijų įrašą iš laikotarpio, kai šviesa, kokią mes pažįstame, dar neegzistavo.

Kodėl slėptis už Mėnulio? Ar Žemėje kas nors galėtų išgirsti tokį seną, silpną signalą? Trumpas atsakymas: ne. Ionosfera iškreipia ir blokuoja tuos žemus dažnius, o žmogaus sukurti šaltiniai, tokie kaip FM radijas, palydovai ir mobiliųjų ryšių tinklai, užgožia dangų. Mėnulio tolimasis šonas veikia kaip natūralus radijo skydas, tylus dubuo nukreiptas į gilųjį kosmosą. CosmoCube pasinaudos tuo ramiu kampu: dvejų valandų Mėnulio orbitoje aparatas kiekvienu praskridimu praleis maždaug 40 minučių radijo tyloje ir per planuojamą dvejų metų misiją sukaups tikėtinas tūkstantį stebėjimo valandų.

Mažas nereiškia paprastas. CosmoCube orbitoje išsiskleis ilga, lengva radijo antena. Ji klausys dažnių juostos, kuri žemės teleskopams daugiausia neprieinama. Iššūkis yra ne tik kosminis silpnumas, bet ir savasis triukšmas. Elektronika skleidžia šnypštimą, temperatūra svyruoja. Smulkūs instrumentiniai poslinkiai gali apsimesti reikšmingais signalais.

CosmoCube reprezentacinis modelis, kuriam atliekami terminiai bandymai RAL Space.

Kovai su tuo komanda aprūpino palydovą Dicke'o tipo perjungiamą kalibravimo sistema, kuri kaitalioja stebėjimus į dangų su įmontuotomis referencinėmis apkrovomis. Dažnas perjungimas leidžia mokslininkams sekti ir atimti instrumentinius ypatumus prieš jiems sugadinant duomenis. Kai telemetrija sugrįš į Žemę, sudėtingos bajesinės analizės atskirs ieškomą vandenilio parašą nuo daug ryškesnių priekinio plano signalų, iš kurių svarbiausias yra Paukščių Tako radijo švytėjimas. Komanda taip pat modeliuos ir matuos, kaip antena reaguoja į skirtingas dangaus sritis, kad galėtų išnarplioti likusias iškraipas.

CosmoCube moksliniai tikslai siekia toliau nei viena spektrinė linija. Stebėjimai Visatos prieš žvaigždžių susidarymą tiesiogiai tiria, kaip tamsioji materija elgėsi ankstyvaisiais laikais, kaip ji vejė vandenilį į pirmųjų galaktikų sėklas. Ar tamsioji materija pagreitino vėsinimą? Ar ji paliko pėdsaką pirminio vandenilio pasiskirstyme ir temperatūroje? Atsakymai į tokius klausimus fundamentaliai pakeistų mūsų supratimą apie struktūrų formavimąsi.

Ši kompaktiška misija gali atverti aiškų radijo langą į Visatos tamsiuosius amžius ir atskleisti fiziką, prie kurios dar neprisilietė nė vienas teleskopas.

Inžinieriai sutalpino modernias analogines ir skaitmenines technologijas į miniatiūrinį radiometrą, pastatytą ant RF sistemų ant lusto (RFSoC). Kosminio laivo magistralė, pavadinta SSTL-21, tiekia Surrey Space Technology Ltd (SSTL), britų mažų palydovų specialistai. Prototipai jau egzistuoja; aplinkos ir terminiai bandymai vyksta tokiose įstaigose kaip STFC RAL Space. Akademiniai partneriai iš visos Jungtinės Karalystės ir Europos, įskaitant Kembridžo Cavendish laboratoriją, Portsmouth universitetą, Maltos bendradarbius ir kitus, prisidėjo prie dizaino, simuliacijų ir įrangos vystymo. Projektas sulaukė Jungtinės Karalystės kosmoso agentūros finansavimo ir buvo aprašytas Nature Astronomy; komanda tikisi paleidimo maždaug per penkerius metus.

Čia taip pat yra varžybų elementas. Mėnulio tolimasis šonas šiandien yra neįprastai švarus, tačiau jis nebus tuščias amžinai. Valstybės, planuojančios Mėnulio tyrinėjimus su įgulos misijomis, nusileidėjais ir komunikacijos relėmis, palaipsniui pridės radijo šaltinius į tą kraštovaizdį. Kuo tyliau tolimasis šonas išliks dabar, tuo geriau eksperimentams, tokiems kaip CosmoCube. Šis palydovas yra dalimi mokslinis eksperimentas ir dalimi argumentas: palikite Mėnulio kampelį pakankamai laisvą, kad ateities kartos vis dar galėtų klausyti silpniausių kosmoso aidų.

CosmoCube stovi įdomioje sankryžoje: ambicinga kosmologija iš mažo biudžeto kompaktiškos platformos. Jis užduoda didelį klausimą mažu paketu. Ar galime naudoti lagamino dydžio zondą, kad perskaitytume Visatos skyrių, kuris niekada nebuvo atvertas? Jei misija pavyks, atsakymas skambės garsiau už patį aparatą.