Будівництво телескопів на Місяці може змінити астрономію

Дослідження Місяця переживає ренесанс. Десятки місій, організованих кількома космічними агентствами – і все частіше комерційними компаніями – збираються відвідати Місяць до кінця цього десятиліття. Більшість із них стосуватиметься невеликих роботизованих космічних кораблів, але амбітна  програма NASA Artemis спрямована на повернення людей на поверхню Місяця до середини десятиліття.

Існують різні причини для всієї цієї активності, включаючи геополітичну позицію та пошук місячних ресурсів, таких як  водний лід на місячних полюсах, який можна видобути та перетворити на водень і кисень для ракет. Однак наука, безперечно, також матиме велику користь. Місяць  ще має багато розповісти нам(відкривається в новій вкладці) про походження та розвиток Сонячної системи. Він також має наукову цінність як платформа для спостережень астрономії.

Потенційна роль природного супутника Землі для астрономії обговорювалася на  засіданні Королівського товариства на початку цього року. Сама зустріч була частково спровокована розширеним доступом до поверхні Місяця, який зараз очікується.

Переваги далекої сторони

Кілька типів астрономії будуть корисними. Найбільш очевидним є радіоастрономія, яку можна проводити з того боку Місяця, який завжди звернений до Землі, тобто зворотного боку. Зворотний бік Місяця постійно захищений від радіосигналів, які генерують люди на Землі. Під час місячної ночі він також захищений від сонця. Ці характеристики роблять його, мабуть,  найбільш «радіотихим» місцем у всій Сонячній системі оскільки жодна інша планета чи місяць не має сторони, яка постійно звернена від Землі. Тому він ідеально підходить для радіоастрономії.

Радіохвилі є формою електромагнітної енергії, як, наприклад, хвилі інфрачервоного, ультрафіолетового та видимого світла. Вони визначаються різними довжинами хвиль в електромагнітному спектрі. Радіохвилі з довжиною хвилі понад 15 м блокуються іоносферою Землі. Але радіохвилі на цій довжині хвилі безперешкодно досягають поверхні Місяця. Для астрономії це остання недосліджена область електромагнітного спектра, і її найкраще вивчати з дальнього боку Місяця.

Спостереження космосу на цих довжинах хвиль підпадає під егідою «низькочастотної радіоастрономії». Ці довжини хвиль унікально здатні досліджувати структуру раннього Всесвіту, особливо космічних темних віків. – ера до утворення перших галактик. У той час більша частина матерії у Всесвіті, за винятком таємничої  темної матерії, була у формі нейтральних атомів водню. Вони випромінюють і поглинають випромінювання з характерною довжиною хвилі 21 см. Радіоастрономи використовували цю властивість для вивчення водневих хмар у нашій власній галактиці – Чумацькому Шляху – з 1950-х років.

Оскільки Всесвіт постійно розширюється, 21-сантиметровий сигнал, створюваний воднем у ранньому Всесвіті, був зміщений до набагато більших довжин хвиль. В результаті водень з космічних «темних віків» буде здаватися нам з довжинами хвиль більше 10 м. Зворотний бік Місяця може бути єдиним місцем, де ми можемо це вивчити.

Астроном Джек Бернс надав хороший короткий виклад відповідної  наукової основи на нещодавньому засіданні Королівського товариства, назвавши зворотний бік Місяця «незайманою, тихою платформою для проведення низькочастотних спостережень темних віків раннього Всесвіту, а також космічної погоди та магнітосфери, пов’язаної з придатними для життя екзопланетами».

Сигнали від інших зірок

Як каже Бернс, ще одне потенційне застосування далекої радіоастрономії полягає в спробі виявити радіохвилі від заряджених частинок, захоплених магнітними полями –  магнітосферами  – планет, що обертаються навколо інших зірок.

Це допоможе оцінити, наскільки ці екзопланети здатні містити життя. Радіохвилі з магнітосфер екзопланет, ймовірно, мали б довжину хвилі понад 100 м, тому їм знадобилося б радіотихе середовище в космосі. Знову ж таки, зворотний бік Місяця буде найкращим місцем.

Подібний аргумент можна навести щодо  спроб виявити сигнали від розумних прибульців. І, відкривши недосліджену частину радіоспектра, також є можливість зробити випадкові відкриття нових явищ. Ми повинні отримати інформацію про потенціал цих спостережень під час  місії NASA LuSEE-Night приземлиться на зворотному боці Місяця у 2025 або 2026 роках.

Глибини кратера

Місяць також пропонує можливості для інших видів астрономії. Астрономи мають великий досвід роботи з оптичними та інфрачервоними телескопами, що працюють у відкритому космосі, такими як  телескоп Хаббла  та  космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST). Однак стабільність місячної поверхні може надати переваги цим типам приладів.

Крім того, на полюсах Місяця є кратери, які не потрапляють на сонячне світло. Телескопи, які спостерігають за Всесвітом в інфрачервоному випромінюванні, дуже чутливі до тепла і тому повинні працювати при низьких температурах. JWST, наприклад, потребує величезного сонцезахисного екрана, щоб захистити його від сонячних променів. На Місяці природний край кратера може забезпечити це екранування безкоштовно.

Низька гравітація Місяця може також уможливити будівництво  набагато більших телескопів(відкривається в новій вкладці) ніж це можливо для вільно літаючих супутників. Ці міркування змусили астронома Жана-П’єра Майяра припустити, що Місяць може бути майбутнім  інфрачервоної астрономії.

Холодне, стабільне середовище постійно затінених кратерів також може мати переваги для наступного покоління інструментів для виявлення  гравітаційних хвиль  – «брижів» у просторі-часі, спричинених такими процесами, як вибухи зірок і зіткнення чорних дір.

Крім того, протягом мільярдів років Місяць піддавався бомбардуванню зарядженими частинками Сонця – сонячним вітром – і галактичними космічними променями. Місячна поверхня може містити  багато записів цих процесів. Вивчення їх може дати розуміння еволюції як Сонця, так і Чумацького Шляху.

З усіх цих причин астрономія виграє від нинішнього ренесансу дослідження Місяця. Зокрема, астрономія, ймовірно, виграє від інфраструктури, створеної на Місяці, у міру того, як триває дослідження Місяця. Це включатиме як транспортну інфраструктуру – ракети, посадкові модулі та інші транспортні засоби – для доступу на поверхню, так і людей і роботів на місці для створення та обслуговування астрономічних інструментів.

Але тут також є напруга: людська діяльність на зворотному боці Місяця може створювати небажані радіоперешкоди, а плани добування водяного льоду з затінених кратерів можуть ускладнити використання тих самих кратерів в астрономії. Як нещодавно ми з колегами  сперечалися, нам потрібно буде гарантувати, що місця на Місяці, які є винятково цінними для астрономії, будуть захищені в цю нову епоху дослідження Місяця.