Строительство телескопов на Луне может изменить астрономию

В большинстве из них будут задействованы небольшие автоматические космические корабли, но амбициозная программа НАСА «Артемида» направлена ​​на возвращение людей на лунную поверхность к середине десятилетия.

Для всей этой деятельности есть разные причины, в том числе геополитическое позерство и поиск лунных ресурсов, таких как водяной лед на лунных полюсах, который можно добывать и превращать в водородное и кислородное топливо для ракет. Тем не менее, наука, несомненно, также будет главным бенефициаром.

Луне еще многое предстоит рассказать нам о происхождении и эволюции Солнечной системы. Он также имеет научную ценность как платформа для наблюдательной астрономии.

Потенциальная роль естественного спутника Земли для астрономии обсуждалась на заседании Королевского общества в начале этого года. Сама встреча отчасти была вызвана предстоящим расширенным доступом к лунной поверхности.

Преимущества дальней стороны

Несколько типов астрономии принесут пользу. Наиболее очевидным является радиоастрономия, которую можно вести с той стороны Луны, которая всегда обращена от Земли, — с дальней стороны.

Обратная сторона Луны постоянно защищена от радиосигналов, генерируемых людьми на Земле. В лунную ночь он также защищен от Солнца. Эти характеристики делают его, вероятно, самым «радио-молчаливым» местом во всей Солнечной системе, поскольку ни одна другая планета или луна не имеет стороны, которая постоянно обращена в сторону от Земли. Поэтому он идеально подходит для радиоастрономии.

Радиоволны представляют собой форму электромагнитной энергии, как, например, инфракрасные, ультрафиолетовые и видимые световые волны. Они определяются наличием различных длин волн в электромагнитном спектре.

Радиоволны с длиной волны более 15 м блокируются ионосферой Земли. Но радиоволны на этих длинах волн беспрепятственно достигают поверхности Луны. Для астрономии это последняя неисследованная область электромагнитного спектра, и лучше всего ее изучать с обратной стороны Луны.

Наблюдения за космосом на этих длинах волн входят в понятие «низкочастотная радиоастрономия». Эти длины волн позволяют исследовать структуру ранней Вселенной, особенно космические «темные века» — эпоху до образования первых галактик.

В то время большая часть материи во Вселенной, за исключением таинственной темной материи, была в форме нейтральных атомов водорода. Они излучают и поглощают излучение с характерной длиной волны 21 см. Радиоастрономы используют это свойство для изучения водородных облаков в нашей собственной галактике — Млечном Пути — с 1950-х годов.

Поскольку Вселенная постоянно расширяется, 21-сантиметровый сигнал, генерируемый водородом в ранней Вселенной, был смещен в сторону гораздо более длинных волн. В результате нам предстанет водород из космических «темных веков» с длинами волн больше 10м. Обратная сторона Луны может быть единственным местом, где мы можем это изучить.

На недавней встрече Королевского общества астроном Джек Бернс представил хороший обзор соответствующей научной базы, назвав обратную сторону Луны «нетронутой, тихой платформой для проведения низкочастотных наблюдений Темных веков ранней Вселенной, а также космоса». погода и магнитосферы, связанные с обитаемыми экзопланетами».

Сигналы от других звезд

Как говорит Бернс, еще одним потенциальным применением радиоастрономии на обратной стороне является попытка обнаружения радиоволн от заряженных частиц, захваченных магнитными полями — магнитосферами — планет, вращающихся вокруг других звезд.

Это помогло бы оценить, насколько эти экзопланеты способны принимать жизнь. Радиоволны от магнитосферы экзопланеты, вероятно, будут иметь длину волны более 100 м, поэтому для них потребуется радиоспокойная среда в космосе. Опять же, обратная сторона Луны будет лучшим местом.

Аналогичный аргумент можно привести и в отношении попыток обнаружить сигналы от разумных инопланетян. И, открывая неизведанную часть радиоспектра, есть также возможность сделать счастливые открытия новых явлений.

Мы должны получить представление о потенциале этих наблюдений, когда миссия НАСА LuSEE-Night приземлится на обратной стороне Луны в 2025 или 2026 году.

Кратерные глубины

Луна также предлагает возможности для других видов астрономии. Астрономы имеют большой опыт работы с оптическими и инфракрасными телескопами, работающими в открытом космосе, такими как телескоп Хаббл и JWST. Однако стабильность лунной поверхности может дать преимущества этим типам инструментов.

Более того, на лунных полюсах есть кратеры, куда не попадает солнечный свет. Телескопы, наблюдающие за Вселенной в инфракрасном диапазоне, очень чувствительны к теплу и поэтому должны работать при низких температурах. JWST, например, нуждается в огромном солнцезащитном козырьке, чтобы защитить его от солнечных лучей. На Луне естественный край кратера может обеспечить эту защиту бесплатно.

Низкая гравитация Луны также может позволить построить телескопы гораздо большего размера, чем это возможно для свободно летающих спутников. Эти соображения побудили астронома Жана-Пьера Майяра предположить, что Луна может стать будущим инфракрасной астрономии.

Холодная, стабильная среда постоянно затененных кратеров также может иметь преимущества для следующего поколения инструментов для обнаружения гравитационных волн — «ряби» в пространстве-времени, вызванной такими процессами, как взрывы звезд и столкновение черных дыр.

Более того, на протяжении миллиардов лет Луна подвергалась бомбардировке заряженными частицами Солнца – солнечным ветром – и галактическими космическими лучами. Лунная поверхность может содержать богатые записи об этих процессах. Их изучение может дать представление об эволюции как Солнца, так и Млечного Пути.

По всем этим причинам астрономия только выиграет от нынешнего возрождения лунных исследований. В частности, астрономия, вероятно, выиграет от инфраструктуры, созданной на Луне, по мере продолжения исследования Луны.

Это будет включать как транспортную инфраструктуру — ракеты, посадочные модули и другие транспортные средства — для доступа к поверхности, так и людей и роботов на месте для создания и обслуживания астрономических инструментов.

Но здесь есть и противоречие: деятельность человека на обратной стороне Луны может создавать нежелательные радиопомехи, а планы по извлечению водяного льда из затененных кратеров могут затруднить использование тех же самых кратеров в астрономии.

Как мы с коллегами недавно утверждали, нам нужно будет обеспечить защиту лунных местоположений, которые имеют уникальную ценность для астрономии, в эту новую эпоху лунных исследований.

Ян Кроуфорд, профессор планетологии и астробиологии, Биркбек, Лондонский университет, почетный доцент, UCL.