Учёные отправят небольшой спутник за Луну для изучения тёмных веков Вселенной

Небольшой британский спутник CosmoCube может помочь учёным исследовать один из наименее изученных периодов в истории Вселенной — космические «тёмные века», продолжавшиеся примерно 150 миллионов лет до появления первых звёзд. Международная команда под руководством Кембриджского университета планирует использовать обратную сторону Луны как естественный радиощит, защищающий аппарат от помех с Земли.

CosmoCube имеет размеры примерно с небольшой ручную кладь. После выхода на орбиту Луны спутник будет искать чрезвычайно слабый радиосигнал, известный как 21-сантиметровая линия водорода. Этот сигнал возникал в период между послесвечением Большого взрыва и появлением первых звёзд, когда Вселенная была заполнена в основном нейтральным водородом.

Наблюдения этого периода с Земли крайне сложны. Нужные для исследования частоты находятся в диапазоне от 10 до 50 МГц, где сигнал блокируется или искажается ионосферой Земли. Кроме того, его практически невозможно отделить от радиопомех, создаваемых радиостанциями, спутниками и телекоммуникационными системами.

Обратная сторона Луны создаёт уникальные условия для таких наблюдений. Когда CosmoCube будет находиться за Луной относительно Земли, спутник окажется защищён от большей части земного радиошума. В течение примерно 40 минут каждого двухчасового витка аппарат сможет наблюдать космос в условиях, недоступных наземным радиотелескопам.

Предполагается, что миссия продлится около двух лет. За это время CosmoCube должен накопить примерно 1000 часов наблюдений. Полученные данные позволят исследовать период, когда Вселенная ещё не имела звёзд и галактик и постепенно переходила от относительно однородного состояния к сложной структуре, наблюдаемой сегодня.

Учёные также рассчитывают с помощью этого сигнала изучить роль тёмной материи в ранней Вселенной. По словам руководителя проекта, профессора Кембриджского университета Элоя де Лера Аседо, распределение водорода в тот период может показать, как тёмная материя способствовала концентрации вещества и формированию первых звёзд и галактик.

Для регистрации сигнала спутник развернёт длинную и лёгкую радиоантенну. Поскольку искомое излучение чрезвычайно слабое, аппарат будет постоянно контролировать собственную электронику. Для этого используется калибратор с переключением Дике, который будет поочерёдно сравнивать сигнал неба с несколькими встроенными эталонными источниками. Такая система должна помочь выявлять и устранять небольшие изменения и внутренние шумы аппаратуры.

После передачи данных на Землю исследователи применят байесовские статистические методы для отделения космического сигнала от фонового излучения, прежде всего от радиоволн нашей Галактики. Компьютерное моделирование и измерения во время полёта также позволят восстановить характеристики антенны и учесть искажения, возникающие при наблюдении различных участков неба.

Для CosmoCube создаётся миниатюрный радиометр с интегрированной аналоговой и цифровой электроникой на базе технологии RF-System-on-Chip. Спутниковую платформу SSTL-21 разрабатывает британская Surrey Space Technology Limited, специализирующаяся на малых космических аппаратах.

Разработка научного оборудования уже ведётся. Исследователи создали лабораторные прототипы и проводят испытания компонентов в условиях, имитирующих космическую среду. В проекте участвуют Кембриджский университет, Университет Портсмута, STFC RAL Space и партнёры из европейских стран, включая Мальту.

Миссия получила финансирование от Космического агентства Великобритании. Исследователи надеются запустить CosmoCube в течение ближайших пяти лет. Проект также претендует на участие в программе ESA mini-Fast, при этом предполагаемая стоимость миссии должна составить менее 50 миллионов евро.

Учёные отмечают, что время для использования радиотишины обратной стороны Луны может быть ограничено. США, Индия и другие страны также разрабатывают миссии, которые предполагают использование Луны для радиоастрономических наблюдений. Поэтому в будущем естественная защита от земных радиопомех может стать значительно более востребованной.

Если CosmoCube успешно проведёт наблюдения, полученные данные могут впервые дать прямую информацию о свойствах Вселенной в период до появления первых звёзд и помочь выяснить, как тёмная материя участвовала в формировании первых космических структур.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.