Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) leiten einen neuen Versuch, ein Radioteleskop auf dem Mond zu landen. Bei Erfolg markiert das Projekt den ersten Schritt zur Erforschung des dunklen Zeitalters des Universums.
Das dunkle Zeitalter ist eine frühe Ära der kosmologischen Geschichte, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall beginnt. Im Mittelalter gab es keine Sterne oder Planeten. Es ist ein Zeitpunkt, den Wissenschaftler nie beobachten konnten. Obwohl Funkwellen aus dem Mittelalter immer noch im Weltraum verweilen, hat die Fülle von Funkstörungen auf der Erde diese Signale von Wissenschaftlern, die sie untersuchen wollen, maskiert.
Wenn Kosmologen Radiowellen aus dem Mittelalter entdecken könnten – was als „Signal des dunklen Zeitalters“ bekannt ist – könnten sie dabei helfen, Antworten auf einige der größten Geheimnisse des Universums zu finden, wie etwa die Natur der dunklen Energie oder die Entstehung des Universums selbst.
„Das Universum zu modellieren ist einfacher, bevor sich Sterne gebildet haben. Wir können fast alles genau berechnen“, sagt Brookhaven-Physiker Anže Slosar. „Bisher können wir nur Vorhersagen über frühere Stadien des Universums machen, indem wir einen Benchmark namens kosmischer Mikrowellenhintergrund verwenden. Das Dark Ages Signal würde einen neuen Benchmark liefern. habe neue Physik entdeckt.“
Jetzt zielt ein neues Projekt namens Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night (LuSEE-Night) darauf ab, zum ersten Mal auf das Dark Ages Signal zuzugreifen. LuSEE-Night ist ein bemerkenswertes Konzept für ein Radioteleskop, das in entwickelt wird Zusammenarbeit zwischen NASA und DOEwobei Brookhaven Lab die Rolle des DOE in dem Projekt anführt und das Lawrence Berkeley National Lab des DOE wichtige technische Unterstützung leistet.
LuSEE-Night wird Geschichte schreiben für seine Fähigkeit, einen unwirtlichen Ort zu erreichen – und dort zu überleben – wo genügend Funkstille herrscht, um das Dark Ages Signal zu entdecken: die Mondrückseite.
Die dunkle Seite des Mondes überleben
Einige kennen es vielleicht als die „dunkle Seite des Mondes“, aber was wissenschaftlich als „die Mondrückseite“ bekannt ist, ist nicht ewig dunkel. Die Mondrückseite ist nach ihrer Unfähigkeit benannt, von der Erde aus gesehen zu werden, aber sie hat ihren eigenen Tag- und Nachtzyklus.
„Der Mond und die Erde sind gezeitengekoppelt, was bedeutet, dass sich der Mond mit der gleichen Geschwindigkeit um seine eigene Achse dreht wie um die Erde“, sagte Slosar, der die Beiträge von DOE zum wissenschaftlichen Programm und Betrieb der LuSEE-Night leitet und es auch ist der LuSEE-Nacht Kooperationssprecher. „Deshalb sehen wir immer dieselbe Seite des Mondes. Aber die Seite, die wir nicht sehen können, die mondabgewandte Seite, wird nachts durch die eigene Masse des Mondes von vielen Quellen von Funkstörungen abgeschirmt.“
Kosmologen auf der ganzen Welt sind seit Jahrzehnten daran interessiert, das Universum von der Mondrückseite aus zu beobachten, und sie haben schon früher versucht, es zu erreichen. Aber als Gegenleistung für die Funkstille, die die Mondrückseite bietet, bietet sie eine tückische Umgebung mit wenig Überlebenschancen für wissenschaftliche Geräte – geschweige denn, Daten zurück zur Erde zu übertragen.
Die Mondrückseite befindet sich 14 Erdtage lang in völliger Dunkelheit, gefolgt von 14 Tagen brutalen Sonnenlichts. Dadurch schwanken die Temperaturen zwischen 250 und -280 Grad Fahrenheit – und eine dramatische Änderung kann innerhalb weniger Stunden eintreten.
„Der Mond ist leichter zu erreichen als der Mars, aber alles andere ist schwieriger“, sagte Paul O’Connor, leitender Wissenschaftler in der Instrumentation Division von Brookhaven und Instrumentenwissenschaftler des LuSEE-Night-Projekts. „Es gibt einen Grund, warum in den letzten 50 Jahren nur ein Roboter-Rover auf dem Mond gelandet ist, während sechs zum Mars gingen, der 100-mal weiter entfernt ist. Es ist eine Vakuumumgebung, die das Abführen von Wärme erschwert, und es gibt eine Menge Strahlung. “
LuSEE-Night muss tagsüber Wärme in einer Vakuumumgebung abweisen und sich nachts vor dem Einfrieren bewahren – und das alles, während es sich selbst durch 14 Tage ununterbrochener Dunkelheit mit Energie versorgt und die erste Wissenschaft seiner Art durchführt.
„Die Energie muss von einer Batterie kommen, die nur aufgrund ihrer Größe so effizient sein kann“, sagte O’Connor. „Leistungsstärkere Batterien sind schwerer, und eine Flugmission zum Mond hat eine strenge Massenbegrenzung. Wir müssen sehr sparsam mit der Leistung umgehen, die wir zuweisen, und das bringt uns in einen vertrauten Bereich, in dem wir Kompromisse zwischen der Leistung eingehen müssen und Sensibilität.“
Der Bau von weltweit führenden wissenschaftlichen Instrumenten unter strengen Designanforderungen ist ein langjähriges Fachgebiet der Instrumentation Division von Brookhaven Lab.
„Wir haben eine lange Geschichte im Bau von Detektorinstrumenten, die die ultimativen Grenzen der Empfindlichkeit erreichen, sei es zum Nachweis subatomarer Teilchen in Hochenergiephysik-Experimenten oder ultraheller Röntgenstrahlung an der National Synchrotron Light Source II“, sagte O’Connor. „In den letzten 15 Jahren haben wir uns in Richtung astrophysikalischer Anwendungen bewegt. Vor allem hat Brookhaven das 3,2-Gigapixel-Sensorarray für das Rubin-Observatorium entwickelt. Es ist das größte CCD-Array (Charge-Coupled Device), das jemals gebaut wurde.“
Brookhavens Führungsrolle im LuSEE-Night-Projekt bringt auch Fachwissen in der Radiokosmologie ein. Insbesondere hat das Labor zuvor die Fähigkeit demonstriert, einen Prototyp eines Radioteleskops zu entwerfen, zu bauen und zu betreiben. Physiker, Ingenieure und Techniker der Instrumentierungsabteilung und der Physikabteilung des Labors arbeiteten zusammen, um den Prototyp zu erstellen und große Teile des fernen Kosmos mit hoher Empfindlichkeit zu beobachten.
Die wissenschaftliche und technische Expertise des Labors ist eine entscheidende Kombination, um die ehrgeizigen wissenschaftlichen Ziele und Designanforderungen von LuSEE-Night zu erreichen – insbesondere für die Entwicklung hochempfindlicher Radioteleskope.
„LuSEE-Night ist kein gewöhnliches Radioteleskop“, sagte Slosar. „Es ist eher ein Radioempfänger. Es funktioniert wie ein UKW-Radio und empfängt Radiosignale in einem ähnlichen Frequenzband. Das Spektrometer ist das Herzstück. Wie ein Radiotuner kann es Radiofrequenzen trennen und Signale umwandeln in Spektren. Hier setzen wir mit unserer Expertise an. Auch wenn noch niemand ein Instrument wie dieses gebaut hat, wissen wir, wie man die wichtigste Komponente baut – ein sehr empfindliches Spektrometer.“
Zusätzlich zum Bau des überaus wichtigen Spektrometers leitet Brookhaven die DOE-Bemühungen zum Bau des gesamten Teleskops.
„Wir werden die Elektronik von LuSEE-Night ausbauen, die Batterien, Solarpanels und Kommunikationsgeräte beschaffen und sicherstellen, dass alle Komponenten des Instruments kohärent und für den Weltraumflug geeignet sind“, sagte Brookhaven-Wissenschaftler Sven Herrmann, der LuSEE-Night-Bauprojektleiter für DOE ist Teil der Mission und Forscher am Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology. „Wir kümmern uns um die Montage der inneren Ausrüstung und versenden die Teile dann zur Endintegration an das Space Sciences Laboratory der UC Berkeley. Die NASA wird den Start über ihr Commercial Lunar Payload Services-Programm koordinieren, das private Unternehmen für den Transport zum Mond nutzt.“
Nach dem Aufsetzen auf der mondabgewandten Seite schaltet sich der Lander von LuSEE-Night dauerhaft aus, sodass er keine Interferenzen erzeugt. Das Teleskop wird dann vier drei Meter lange Antennen, die vom Berkeley Lab entwickelt wurden, auf einem Drehtisch zur Datenerfassung einsetzen. Dann muss LuSEE-Night sich seiner größten Herausforderung stellen: seine erste Nacht auf der Mondrückseite zu überleben.
Zu Hause auf der Erde müssen die Wissenschaftler 40 Tage geduldig warten, bis die LuSEE-Night ihren ersten Datensatz sammelt und an einen Relaissatelliten überträgt, der mit der Erde kommuniziert. Bis dahin wissen sie nicht, ob LuSEE-Night überlebt hat.
Wenn LuSEE-Night überlebt, wird die Zusammenarbeit ihr Hauptziel erreichen: zu beweisen, dass die lang gesuchte Mondrückseite für radiokosmologische Experimente zugänglich ist. Wissenschaftler werden dann einen Proof-of-Concept für die Entwicklung eines ausgefeilteren Teleskops in der Zukunft haben, das besser gerüstet ist, um das entfernte Dark Ages Signal zu erkennen – falls es benötigt wird.
Während die LuSEE-Nacht in erster Linie als Pfadfinder gilt, ist sie darauf ausgelegt, zwei Jahre lang Daten zu sammeln und großartige Entdeckungen sind möglich. LuSEE-Night könnte sein Hauptziel übertreffen und das Dark Ages Signal selbst entdecken oder sogar neue und unerwartete Geheimnisse aufdecken, die tief im Kosmos auf dem Weg verborgen sind.