Майже будь-які наземні астрономічні спостереження стикаються з неприємною реальністю: Земля має атмосферу, яка накладає на дослідження певні обмеження. Радіохвилі, довші за 10 м, відбиваються від іоносфери. Для більшої частини інфрачервоного випромінювання наша атмосфера теж непрозора. А оптичне зображення розмивається турбулентністю, і це погано впливає на роздільну здатність знімків. Ідеальне рішення всіх означених проблем – розміщення астрономічних інструментів там, де немає атмосфери. Наприклад, на Місяці. Його низька гравітація та відсутність вітрів дозволять побудувати більш громіздкі та ефективні конструкції, аніж на Землі чи на орбіті.
Радіотелескоп у природному кратері
Ідея розташувати радіотелескоп на зворотному боці Місяця витає вже доволі давно. Річ у тім, що відвернута від нас частина супутника є «радіотихою», тобто дослідженням не заважатиме наявний на Землі електромагнітний шум від систем мобільного зв’язку, телебачення, супутникового інтернету та різноманітного електричного обладнання. Сонце також є потужним джерелом радіовипромінювання, але половину часу такий телескоп буде від нього надійно захищений.
З 2020 року активно розробляється проєкт радіотелескопа у місячному кратері – Lunar Crater Radio Telescope (LCRT). Для такого телескопа планують підібрати ударний кратер розміром близько 3-5 км. Двоє роботів-альпіністів DuAxel розгорнуть на дні дротяну сітку діаметром 350 м і підвісять над нею приймач. Один робот залишатиметься ззовні та слугуватиме якорем, а інший спуститься вниз для безпосереднього виконання робіт.
Такий телескоп на зворотному боці Місяця – справжня мрія космологів. Спостереження на довгих радіохвилях розповіли б про «темні віки» нашого Всесвіту – перші сотні мільйонів років після Великого Вибуху, коли ще не існувало ані зір, ані галактик. Маючи достатньо великий радіотелескоп, астрофізики змогли б відстежити їхнє формування, а може, навіть знайти підказки щодо природи темної матерії.
Більш компактною та простою альтернативою може бути автономний апарат LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Explorer Night system), розгортання якого на зворотному боці Місяця планується 2026 року. LuSEE-Night – спільний проєкт NASA та Міністерства енергетики США. Чотири триметрові монопольні антени встановлять просто на верхній частині посадкового модуля Blue Ghost 2, розробленого приватною американсько-українською компанією Firefly Aerospace. Поворотна платформа дозволить обирати орієнтацію антен. Такий телескоп працюватиме на низьких частотах, основним його завданням буде вимірювання випромінювання у ранній період еволюції Всесвіту.
Інфрачервоний телескоп на полюсі
Особливо уважно треба обирати місце розташування інфрачервоного телескопа. Аби запобігти фоновому шуму, такий інструмент має постійно охолоджуватися до вельми низьких температур. На щастя, на Місяці є регіони, куди ніколи не потрапляє сонячне світло, наприклад, кратер Шеклтон на південному полюсі. Вал цього ударного кратера майже постійно опромінюється Сонцем, але його внутрішня частина завжди в тіні, тут утворюється так звана холодна пастка, де температура сягає -183°С.
Французький астроном Жан-П’єр Мейяр упродовж останніх років розробляє місячний інфрачервоний телескоп. Він пропонує проєкт інструмента ALLURE (Astronomical Large LUnar infraRed Explorer) із 13-метровим сегментованим дзеркалом. Розташування всередині постійно затіненого кратера дозволить телескопу працювати довше й ефективніше навіть за славетний James Webb, завдяки пасивному охолодженню та вчетверо більшій площі дзеркала. Основними його завданнями можуть стати дослідження екзопланет, далеких галактик та їхньої еволюції, а також найбільш енергетичних процесів у Всесвіті. Але суттєвою проблемою стане те, що телескопу буде доступна лише половина неба.
Система оптичних телескопів
Перевагою розташування оптичних телескопів на Місяці є відсутність турбулентних потоків, що суттєво погіршують якість зображення наземних інструментів. Для великих телескопів ця проблема вирішується складною і громіздкою системою адаптивної оптики, що дозволяє здебільшого компенсувати викривлення зображення. На Місяці, де атмосфери фактично немає, навіть невеликі інструменти обіцяють надзвичайну ефективність.
Джерело: Kenneth Carpenter, науковий співробітник проєкту Hubble Operations
Теоретична роздільна здатність телескопа залежить від його діаметра: що він більший, то менші деталі можна роздивитися. Однак сучасна астрономія переважно рухається шляхом спостережень з наддовгою базою. Такий підхід передбачає збирання світла на менших за розміром віддалених один від одного інструментах, з подальшою специфічною обробкою, що імітує велику «штучну апертуру».
Наукова група Центру космічних польотів імені Годдарда (NASA) запропонувала дизайн місячного оптичного інтерферометра з довгою базою – AeSI (Artemis-enabled Stellar Imager) для отримання зображень у видимому та ультрафіолетовому діапазонах. За словами вчених, розпочати розбудову такої конструкції можна з двох або трьох малих телескопів, рознесених на відносно невелику відстань. Згодом базу знадобиться подовжити, а кількість та діаметр оптичних елементів – збільшити. За відсутності атмосферних викривлень ідея має величезний науковий потенціал: відкриваються можливості для вивчення поверхонь зір, структури протопланетних дисків навколо молодих світил, та навіть акреційних дисків, що оточують чорні діри.
Проблеми та виклики
Найбільш очевидною проблемою є величезні коливання температури на Місяці. День тут займає близько двох тижнів, упродовж яких майже у будь-якій освітленій Сонцем точці температура сягає приблизно +120°С. Ще стільки ж часу триває ніч, коли температура опускається нижче -170°С. Це означає, що інженерам доведеться розробляти особливі матеріали та технології захисту обладнання.
Не менш важливе забезпечення джерел енергії. Частково це вирішать сонячні панелі, частково – ядерні реактори або пристрої типу РІТЕГ (радіоізотопний термоелектричний генератор). Останні не мають рухомих частин, не потребують обслуговування та можуть працювати десятиліттями.
Розташованим на зворотному боці Місяця обсерваторіям належить передавати дані на Землю для подальшої обробки науковцями. Відтак для підтримання зв’язку на орбіту слід вивести супутники-ретранслятори. Альтернатива космічному ретранслятору – масштабна система на кшталт мережі стільникового зв’язку, якою дані спершу передаватимуться на ближчий до нас бік Місяця, а вже звідти – на Землю.
Справжнім викликом можуть стати природні катаклізми. Місяць досі поступово остигає, що призводить до його стискання, а перепади температур під час сходу та заходу Сонця та припливна взаємодія із Землею є додатковими джерелами сейсмічних коливань. Дослідження за допомогою встановлених на поверхні сейсмографів показують, що місяцетруси можуть сягати магнітуди 5,5 балів за шкалою Ріхтера. Через це певні ділянки поверхні раптово стають нестабільними.
Ще одна небезпека походить безпосередньо з космосу: за рік на Місяць падає близько 100 метеоритів масою до однієї тонни, а чутливу апаратуру можуть пошкодити навіть мікрометеорити розміром кілька міліметрів. Зіткнувшись із Землею, такі тіла повністю згоріли б у атмосфері. На Місяці ж вони випадають просто на поверхню, здіймаючи певну кількість пилу, так само як і будь-які роботи там. А пил з місячного реголіту, на відміну від м’якого земного, дуже гострий та абразивний, і накопичуватиметься на відкритих частинах приладів. Проникаючи у найменші щілини, він становить небезпеку як для людей, так і для обладнання, зокрема може пошкодити поверхню сонячних панелей, об’єктиви камер, дзеркала телескопів, а також застрягти у рухомих механізмах, блокуючи їхню роботу.
Погляд у майбутнє
Астрономічне обладнання обов’язково вимагатиме періодичного технічного обслуговування. Наразі людство ще далеке від колонізації Місяця, побудови баз та постійного чергування групи астронавтів на його поверхні. Особливо якщо йдеться про його зворотний бік, куди навіть за часів розквіту програми Apollo так і не ступала нога жодної людини. Настільки ж ми далекі й від створення грандіозних конструкцій, що дозволили б скористатися усіма перевагами такого розташування обсерваторій.
Утім, величезна кількість сучасних космічних місій на стадії амбітної ідеї здавалися фантастикою. Гарна новина в тому, що паралельно з програмою Artemis учені й інженери рухаються шляхом розробки проєктів різноманітних місячних обсерваторій. Цілком можливо, що за два-три десятиліття зрештою їх втілять у металі.
Ця стаття була опублікована у № 2 (191) 2024 року в журналі Universe Space Tech. Придбати цей номер в паперовій або в електронній версії можна у нашому магазині.
