Супутник розміром приблизно з невелику валізу може допомогти вченим дослідити одну з найменш вивчених епох в історії Всесвіту: темні віки приблизно за 150 мільйонів років до того, як у Всесвіті почали сяяти перші зірки.

Космічний корабель, розроблений у Великобританії, називається Cosmo Cube. Міжнародна дослідницька група під керівництвом Кембриджського університету планує відправити його навколо Місяця, де він зможе блокувати радіоперешкоди, що надходять із Землі на зворотному боці Місяця. У надзвичайно тихому середовищі CosmoCube чує надзвичайно слабкі сигнали, залишені раннім Всесвітом.

Чути сигнали ще до народження першої зірки

Вчені називають цей сигнал 21-сантиметровою лінією. Він походить від атомів водню, які були присутні під час післясвітіння Великого вибуху та на світанку Всесвіту, коли всередині перших зірок був увімкнений ядерний синтез.

Ніхто безпосередньо не спостерігав цю главу в історії Всесвіту.

Сигнал, який буде досліджувати CosmoCube, виник понад 13,5 мільярдів років тому, але виявити його з Землі надзвичайно важко. Іоносфера нашої планети заважає відповідним радіочастотам досягати наземних обсерваторій, у той час як FM-мовлення, супутники та телекомунікації створюють додаткові перешкоди, які можуть заглушити слабкі космічні сигнали.

Місяць пропонує природне рішення.

Коли CosmoCube проходить позаду Місяця, місячне тіло блокує радіоперешкоди від Землі приблизно на 40 хвилин кожні дві години орбіти. За очікувану дворічну місію космічного корабля дослідники сподіваються зібрати близько 1000 годин спостережень за одну з останніх малодосліджених епох Всесвіту.

Ці вимірювання можуть допомогти пояснити, як Всесвіт змінився з темного й відносно порожнього місця на багатий всесвіт зірок, галактик та інших структур, які ми бачимо сьогодні.

Проект фінансується Космічним агентством Великобританії, і дослідники сподіваються, що CosmoCube буде запущено протягом наступних п’яти років. Деталі місії наведені нижче природна астрономія.

Дослідження ранніх ефектів темної матерії

CosmoCube розроблено для подальшого дослідження часу, який знадобився для формування перших зірок. Дослідники також сподіваються, що їхні спостереження проллють світло на темну матерію та її вплив на формування ранньої космічної структури.

Незважаючи на те, що темну матерію неможливо побачити безпосередньо, її гравітаційні ефекти важливі для пояснення зв’язку між галактиками та іншими великими структурами.

«Ми сподіваємося, що викид водню після Великого вибуху і до утворення перших зірок допоможе нам зрозуміти роль темної матерії в ранньому Всесвіті та те, як водень втягувався в перші зірки та галактики», — сказав провідний автор, професор Елой де Лера Аседо з Кавендішського інституту Кембриджського університету.

Щоб досягти цієї давньої ери, CosmoCube спостерігає за радіочастотами від 10 до 50 МГц. Ці частоти в основному недоступні для наземних телескопів, що робить Місяць особливо цінним місцем для експериментів.

«Ніде більше ви не можете отримати екранування, необхідне для виявлення такого слабкого сигналу під час спостереження за всім Всесвітом», — сказав де Лера Аседо, який також пов’язаний з Інститутом космології Кавлі. «Зворотній бік Місяця — насправді єдиний варіант. Зворотний бік Місяця вирішує відразу кілька проблем і відкриває чітке вікно в дуже ранні дні Всесвіту».

Перетворіть місяць на радіощит

Після досягнення місячної орбіти CosmoCube розгорне довгу легку радіоантену. Коли космічний корабель рухається до зворотного боку Місяця, його антена шукатиме 21-сантиметрові сигнали водню з раннього Всесвіту, тоді як поверхня Місяця блокує перешкоди від Землі.

Виявлення таких слабких сигналів вимагає дуже високої точності. Таким чином, CosmoCube використовує калібратор «Dicke Switched» для постійного моніторингу та налаштування власної електроніки. Система чергує спостереження за небом і вимірювання кількох внутрішніх еталонних джерел.

Цей процес спрямований на виявлення та усунення невеликих змін і електронного шуму, створюваного самим космічним кораблем. Інакше його можна прийняти за сигнал із глибокої історії Всесвіту.

Дослідники виконають додаткову обробку спостережень після повернення на Землю. Ми використовуємо вдосконалені статистичні методи Байєса, щоб відокремити цікавий сигнал від радіовипромінювання переднього плану, зокрема радіохвиль, створюваних нашою галактикою.

Комп’ютерне моделювання та вимірювання, зібрані під час місії, також дозволять дослідникам реконструювати, як антени CosmoCube реагують на різні ділянки неба. Вчені можуть виправити будь-які залишкові спотворення, які можуть вплинути на їхні результати.

«Що робить нашу місію унікальною, окрім науки, це її масштаб. Ми використовуємо компактну та відносно недорогу платформу, досліджуючи найдавніші та найглибші частини темних віків, до яких інші не можуть дістатися», — сказала де Лера Аседо.

Маленький супутник із амбітною місією

Радіомовчання, доступне на зворотному боці Місяця, може ставати все більш цінним. Сполучені Штати, Індія та інші країни також планують місії, спрямовані на використання переваг надзвичайно тихого радіосередовища на зворотному боці Місяця.

Сам CosmoCube містить високоінтегрований мініатюрний радіометр, який поєднує в собі новітні аналогові та цифрові технології з використанням так званої технології RF system-on-chip (RFSoC).

Платформа космічного корабля CosmoCube («SSTL-21») розробляється у Великій Британії компанією Surrey Space Technology Limited (SSTL), що спеціалізується на виробництві малих супутників.

Розробка пристрою вже триває. У лабораторії створено робочі прототипи, проводяться екологічні випробування, а дослідники співпрацюють із галузевими партнерами. Серед академічних партнерів Великобританії – Портсмутський університет і STFC RAL Space, а також беруть участь дослідники з країн ЄС, включаючи Мальту.

Нещодавно команда CosmoCube взяла участь у конкурсі ідей для міні-швидкої місії ESA. Запропонована місія коштує менше 50 мільйонів євро.

«CosmoCube прагне виконувати амбітні наукові дослідження з мікросупутників у складних умовах, що вимагає розумних методів проектування», — сказав співавтор доктор Вілл Грейнджер із STFC RAL Space. «Ми працювали з нашими партнерами по проекту, щоб розробити репрезентативні моделі супутника та його корисного навантаження. Вони були випробувані на наших об’єктах, і теплові характеристики підтвердили, що корисне навантаження може працювати та виконувати необхідні чутливі вимірювання в різних температурних умовах на місячній орбіті. У майбутньому ми сподіваємося продовжити розробку повного корисного навантаження для підготовки до повної місії».

Нове вікно в темні віки Всесвіту

Якщо CosmoCube вдасться, це може довести, що великомасштабні відкриття раннього Всесвіту не обов’язково потребують величезних космічних кораблів.

Натомість розміщення невеликих супутників в одному з найтихіших радіосередовищ поблизу Землі може дати вченим доступ до епох, які раніше їм були недоступні безпосередньо.

«Це може стати справжньою історією успіху для Великої Британії. Апаратне забезпечення, програмне забезпечення, реалізація та технологія розробляються тут і можуть допомогти відповісти на одне з найглибших питань у всесвіті», — сказала де Лела Аседо.

Це дослідження було підтримано Космічною агенцією Великобританії, Фондом Кавлі та частиною Ради науково-технічних засобів (STFC), яка є частиною Дослідження та інновацій Великобританії (UKRI). Елой де Лера Аседо є співробітником коледжу Селвін, Кембридж.