Освещая темные космические века

На этой иллюстрации изображен концептуальный телескоп лунного кратера на обратной стороне Луны. Концепция ранней стадии изучается в рамках гранта, финансируемого программой NASA Innovative Advanced Concepts Program, но это не задание НАСА. Предоставлено: Владимир Восянский.

Ранняя стадия НАСА В рамках этой концепции роботы могли закрепить проволочную сетку в кратере на обратной стороне Луны, создав радиотелескоп, который поможет исследовать зарю Вселенной.

После нескольких лет разработки проект Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) получил 500 000 долларов для поддержки сверхурочных, поскольку он входит во вторую фазу программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Хотя это еще не миссия НАСА, LCRT описывает концепцию миссии, которая может изменить взгляд человечества на Вселенную.

Основная цель LCRT будет заключаться в измерении длинноволновых радиоволн, созданных космическими темными веками — периодом, который длился несколько сотен миллионов лет после великий взрыв, Но прежде, чем вспыхнули первые звезды. Космологи мало знают об этом периоде, но они дали ответы на некоторые из самых больших загадок науки, которые могут быть связаны с длинноволновым радиоизлучением, производимым газом, который заполнил Вселенную в этот период.

Сказал Джозеф Лацио, радиоастроном из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и член команды LCRT. «С помощью достаточно большого радиотелескопа, расположенного дальше от Земли, мы сможем отследить процессы, которые приведут к образованию первых звезд, и, возможно, даже найти ключи к разгадке природы темной материи».

Поверхность Луны покрыта кратерами, а естественная впадина может служить опорой для антенны радиотелескопа. Как показано на этой иллюстрации, тележки Doxel могут закреплять проволочную сетку на краю излива. Предоставлено: Владимир Восянский.

Радиотелескопы на Земле не могут исследовать этот загадочный период, потому что длинноволновые радиоволны того времени отражаются слоем ионов и электронов в верхней части нашей атмосферы, области, называемой ионосферой. Случайные радиоизлучения нашей шумной цивилизации также могут мешать радиоастрономии, наводняя самые слабые сигналы.

Но на обратной стороне Луны нет атмосферы, отражающей эти сигналы, а сама Луна будет препятствовать радиопереговорам Земли. Обратная сторона Луны может стать основным лекарством для беспрецедентных исследований ранней Вселенной.

Радиотелескопы на Земле не могут видеть космические радиоволны на расстоянии около 33 футов [10 meters] Саптарчи Бандиупадхьяй, технолог по робототехнике в Лаборатория реактивного движения И главный исследователь проекта LCRT. «Но предыдущие идеи создания радиоантенны на Луне были ресурсоемкими и сложными, поэтому нам пришлось изобрести что-то другое».

Создание телескопов с помощью роботов

Чтобы быть чувствительным к длинным радиоволнам, LCRT должен быть массивным. Идея состоит в том, чтобы создать антенну шириной более полумили (1 км) в кратере шириной более 2 миль (3 км). Крупнейшие однопластинчатые радиотелескопы на Земле, такие как сферический телескоп с апертурой 500 метров и 500 метров в Китае и сферический телескоп шириной 1000 футов (305 метров) в настоящее время не работает. Обсерватория Аресибо построена в Пуэрто-Рико внутри естественных чашеобразных впадин в ландшафте, чтобы обеспечить поддерживающую структуру.

Концептуальный радиотелескоп можно построить из проволочной антенны внутри кратера. На этом рисунке ствольную коробку можно увидеть подвешенной над тарелкой с помощью системы кабелей, закрепленных на краю дульного среза. Предоставлено: Владимир Восянский.

Радиотелескопы этой категории используют тысячи отражающих панелей, подвешенных внутри углубления, чтобы вся поверхность антенны отражала радиоволны. Затем приемник подвешивается через систему кабелей в центральной точке над тарелкой, закрепленной на башнях по периметру тарелки, для измерения радиоволн, отражающихся от изогнутой поверхности внизу. Но, несмотря на свой размер и сложность, даже FAST не чувствителен к длинам радиоволн более 14 футов (4,3 м).

Бандиопадхай со своей командой инженеров, ученых-робототехников и ученых из Лаборатории реактивного движения сконцентрировал этот класс радиотелескопов в его простейшей форме. Их концепция исключает необходимость транспортировки тяжелых материалов на Луну и использует роботов для автоматизации процесса строительства. Вместо использования тысяч отражающих панелей для фокусировки входящих радиоволн, LCRT будет построен из тонкой проволочной сетки в центре отверстия. Один космический корабль соединит сеть, а отдельный спускаемый аппарат разместит марсоходы DuAxel, чтобы построить антенну в течение нескольких дней или недель.

DuAxel, роботизированная концепция, разрабатываемая в JPL, состоит из двух одноосных туристических транспортных средств (называемых Axel), которые могут откручиваться друг от друга, оставаясь в контакте с помощью веревки. Половина будет выступать в роли якоря на краю ямы, пока остальные спускаются, чтобы строить.

«DuAxel решает многие проблемы, связанные с подвешиванием такой большой антенны внутри лунного кратера», — сказал Патрик МакГарри, технолог по робототехнике в JPL и член проектной группы LCRT и DuAxel. «Axel Rovers могут проникнуть в кратер, будучи прикрепленными к проводам, сжать провода и приподнять их, чтобы подвесить антенну».

Определить проблемы

Чтобы вывести проект на новый уровень, он будет использовать финансирование второго этапа NIAC для улучшения возможностей телескопа и различных подходов к миссии, одновременно выявляя проблемы на этом пути.

Одна из самых больших проблем, с которой сталкивается команда на этом этапе, — это проектирование проводной сети. Чтобы сохранить форму параболы и точное расстояние между проволоками, сетка должна быть прочной и гибкой, но при этом достаточно легкой, чтобы ее можно было перемещать. Сетка также должна выдерживать резкие перепады температур на поверхности Луны — начиная с минус 280 градусов. Фаренгейт (Минус 173 градуса Цельсия) До 127 ° C (260 ° F) — без перекручивания и поломки.

Другой проблемой является определение того, следует ли полностью автоматизировать соединения Doxl или задействовать человеческий фактор в процессе принятия решений. Можно ли построить DuAxels с другими строительными технологиями? Например, запуск гарпунов на поверхность Луны может лучше стабилизировать сеть LCRT, требуя меньше роботов.

Кроме того, хотя обратная сторона Луны в настоящий момент «радиомолчится», это может измениться в будущем. В конце концов, у Китайского космического агентства в настоящее время есть миссия по исследованию обратной стороны Луны, и дальнейшее развитие поверхности Луны может повлиять на потенциальные проекты радиоастрономии.

В течение следующих двух лет команда LCRT будет работать над определением других проблем и вопросов. В случае успеха они могут быть выбраны для дальнейшей разработки, итеративный процесс, который вдохновляет Bandyopadhyay.

«Развитие этой концепции может привести к некоторым значительным прорывам на этом пути, особенно в отношении технологий распространения и использования роботов для строительства гигантских структур за пределами Земли», — сказал он. «Я горжусь тем, что работаю с этой разноплановой командой экспертов, которые вдохновляют мир задуматься над большими идеями, которые могут сделать революционные открытия о вселенной, в которой мы живем».

NIAC финансируется Управлением космических технологий НАСА, которое отвечает за разработку новых комплексных технологий и возможностей, необходимых агентству.