Es gibt unerforschte Regionen im Universum – und es gibt auch unerforschte Zeiten. Tatsächlich gibt es in der Geschichte unseres Universums eine Lücke von fast 400 Millionen Jahren, die wir noch nie gesehen haben: eine Zeit vor den Sternen, bekannt als das Dunkle Zeitalter. Um diese Ära zu untersuchen, wollen Forscher ein bestimmtes Radiosignal empfangen, das von der Erde aus nicht gemessen werden kann.
Der erste Schritt, um darauf zu achten, ist ein Pathfinder-Projekt namens Experimentiernacht zur Elektromagnetik der Mondoberfläche, oder LuSEE-Nacht. Das Experiment soll 2025 zum Mond fliegen, wo es die Technologie in der rauen Mondumgebung testen wird.
Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen der NASA und dem Energieministerium mit Partnern vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dem Brookhaven National Laboratory (leitendes DOE-Labor), der UC Berkeley und der University of Minnesota. Das Team des Berkeley Lab hat mit dem Bau der Antenne des Experiments begonnen, die versuchen wird, diese alten Radiowellen zu empfangen.
„Wenn Sie sich auf der anderen Seite des Mondes befinden, haben Sie eine unberührte, funkstille Umgebung, von der aus Sie versuchen können, dieses Signal aus dem Mittelalter zu entdecken“, sagte Kaja Rotermund, eine Postdoktorandin am Berkeley Lab, die dort arbeitet auf der Antenne. „LuSEE-Night ist eine Mission, die zeigt, ob wir solche Beobachtungen von einem Ort aus durchführen können, an dem wir noch nie waren, und auch für einen Frequenzbereich, den wir noch nie beobachten konnten.“
Das Dark Ages-Signal kann von der Erde aus nicht gemessen werden, da unsere Atmosphäre das Radiosignal absorbiert, bricht und reflektiert, bevor es jemals Instrumente auf der Erde erreicht. Selbst wenn dies möglich wäre, würde das Funksignal vom Rauschen unserer eigenen Elektronik und Kommunikation übertönt werden.
Der Mond fungiert als Schutzschild und blockiert Radiowellen von der Erde. Und indem das Experiment nur während der zweiwöchigen Mondnacht Daten sammelt, kann es auch Radiowellen von der Sonne ausblenden. Aber dieser abgelegene Ort bringt auch Herausforderungen mit sich. LuSEE-Night muss bei Temperaturen um -280 Grad Fahrenheit betrieben werden und dann am Mondtag einen extremen Temperaturanstieg auf 250 Grad Fahrenheit überstehen, wenn es seine Batterien wieder auflädt.
Und da die andere Seite des Mondes niemals der Erde zugewandt ist, ist eine direkte Kommunikation mit dem Experiment unmöglich. LuSEE-Night muss alle seine Daten über einen Relaissatelliten senden, der über ihm vorbeifliegt.
„Die Ingenieurskunst, ein wissenschaftliches Instrument auf der anderen Seite des Mondes zu landen, ist eine riesige Leistung“, sagte Aritoki Suzuki, der das Antennenprojekt für Berkeley Lab leitet. „Wenn wir nachweisen können, dass dies möglich ist – dass wir dorthin gelangen, den Einsatz durchführen und die Nacht überleben können –, kann das das Feld für die Gemeinschaft und zukünftige Experimente öffnen.“
LuSEE-Night wird das Universum von der anderen Seite des Mondes aus beobachten. Bildnachweis: Google Earth
Rockt ins dunkle Zeitalter
Nach dem Urknall war das Universum mit einem heißen, undurchsichtigen Plasma aus umherschweifenden Teilchen gefüllt. Nach etwa 400.000 Jahren war das Plasma so weit abgekühlt, dass sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoff verbinden konnten, wodurch Licht frei wurde, um sich durch das Universum zu bewegen. Dieses Licht, bekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund oder CMB, erreichte unsere Teleskope und lieferte uns ein kleines Bild unseres Universums. Danach dominierte im Mittelalter fast 400 Millionen Jahre lang Wasserstoffgas, bis sich im kosmischen Morgengrauen die ersten Sterne und Galaxien zu bilden begannen.
„Mit dem CMB haben wir diesen Schnappschuss des frühen Universums. Und wir haben auch Bilder aus dem neueren Universum, sobald die Sterne geboren sind“, sagte Suzuki. „Wir wollen die Zeit des Dunklen Zeitalters untersuchen, weil sie die Entwicklung des frühen Universums zu dem Universum, das wir heute sehen, verbindet.“
Forscher gehen davon aus, dass der Wasserstoff bei einer bestimmten Frequenz einen Teil der Energie des CMB absorbierte. Als sich das Universum ausdehnte, verschob sich die Frequenz nach unten und könnte nun als Radiowellen erfasst werden. LuSEE-Night wird Frequenzen zwischen 0,5 und 50 Megahertz abhören, obwohl es wahrscheinlich ist, dass zukünftige, empfindlichere Experimente erforderlich sein werden, um das schwache Signal zu finden.
„Wir suchen nach diesem sehr kleinen Rückgang, der möglicherweise das Signal des Dunklen Zeitalters ist“, sagte Rotermund. „Wir können viel über die Kosmologie lernen, die in dieser Zeitspanne regiert wird, und zwar auf eine Weise, die nicht von Sternen und anderen Objekten beeinflusst wird, die im Vergleich zum Universum im Allgemeinen ganz anders wachsen.“
Vom Labor zum Mond
Um Radiowellen zu sammeln, wird LuSEE-Night zwei Antennenpaare verwenden, die von Spitze zu Spitze sechs Meter lang sind – das gesamte Experiment muss jedoch in einem Würfel mit einer Seitenlänge von einem Meter zum Mond reisen. Sobald LuSEE-Night landet, werden die federbelasteten „Stacer“-Antennen in ihre Position entrollt.
Um das Antennensystem für seine Mondreise zu bauen, begannen die Forscher des Berkeley Lab mit Simulationen und Modellen und wandten sich dann dem Bauen und Testen zu.
Das Team begab sich mit einem maßstabsgetreuen Modell einer Antenne, die von 3 Metern auf 30 Zentimeter reduziert wurde, auf das Dach eines der Gebäude des Berkeley Lab. Sie verwendeten einen Sender, um Signale über den weiten Raum an die Antenne zu senden.
„Es ist wichtig, unsere Antennen zu charakterisieren, damit wir uns auf die Informationen verlassen können, die wir erhalten, und damit wir sie so einrichten, dass wir die besten Chancen haben, das Signal des Dunklen Zeitalters zu sehen“, sagte Rotermund. Das Team hat das beste Design herausgefunden, simuliert, wie die Strahlmuster der Antennen aussehen werden, und die Elektronik kalibriert, damit sie erkennen können, wie stark das Signal ist, das sie empfangen.
Das Berkeley Lab-Team baut außerdem einen Drehteller, der die Antennen regelmäßig dreht. Da Forscher erwarten, dass das Signal des Dunklen Zeitalters in alle Richtungen gleich ist, kann jedes Signal, das sich nach der Drehung ändert, im Wesentlichen aus den Daten gefiltert werden. Dazu gehören Funkrauschen von anderen Planeten oder Galaxien oder sogar Variationen, die durch die felsige Oberfläche (den „Mondregolith“) unter dem Experiment verursacht werden.
Nach einer erfolgreichen technischen Überprüfung im Sommer arbeitet das Team nun mit dem Space Science Laboratory der UC Berkeley zusammen und baut das Flugmodell, das zum Mond fliegen soll. Sie werden das endgültige Antennensubsystem bis Januar 2024 liefern, wo es in die anderen Komponenten von LuSEE-Night integriert wird – einschließlich der satten 50-kg-Batterie, die es die ganze Nacht über versorgt. Das Experiment wird auf einem künftigen CLPS-Flug (Commercial Lunar Payload Services) von Firefly Aerospace zum Mond fliegen und 18 Monate lang Daten sammeln.