Обратная сторона Луны: лучшее место для новых обсерваторий

Издавна астрономов притягивают места, удаленные от цивилизации, где можно без помех наблюдать за вселенной. И они готовы уже очень скоро сделать следующий шаг в этом направлении – на обратную сторону Луны.

Собственно говоря, телескопы на Луне – это не новость. Еще астронавты миссии "Аполлон-16" Джон Янг и Чарльз Дьюк в 1972 году установили на Луне телескоп с 7,5-сантиметровым зеркалом, с помощью которого были сделаны снимки галактических скоплений, газовых туманностей и Большого Магелланова облака. Но уже в конце программы Apollo в 1972 году и с началом эры орбитальных околоземных телескопов этот короткий эпизод лунной астрономии закончился. И с тех пор Луна остается для многих исследователей космического пространства ближайшей логической целью.

В последние десятилетия телескопы отправлялись все выше от Земли, подальше от рассеянного света городов, подальше от улиц, домов и прочих рукотворных источников излучений. Крупнейшие в мире телескопы располагаются сегодня в самых негостеприимных местах Земли: в совершенно безводных пустынях, на вершинах многокилометровых вулканов и даже в Антарктиде. Но даже там не удается избавиться от всех источников помех; наряду с атмосферой, часть космических сигналов блокируется поясом излучений Земли, которая непрерывно испускает помехи в виде радиосигналов.

Астрономические наблюдения с Луны уже не первое десятилетие представляются для многих исследователей звезд мечтой всей жизни, причем сегодня она представляется настолько реалистичной, как никогда ранее. И действительно, сейчас внимание почти всех космических держав снова сфокусировалось на нашем естественном спутнике. Лишь только за последние десять лет к Луне были запущены четырьмя странами десять космических зондов. А в 2013 году туда был доставлен первый за четыре десятилетия роботизированный луноход – китайский «Нефритовый заяц». И лунные планы становятся все более амбициозными. NASA планирует создать на орбите Луны космическую станцию, шеф ЕКА говорит о «лунной деревне», а китайские ученые мечтают о лунной базе. И при этом появляется все больше уверенности в том, что уже очень скоро человек снова ступит на лунную поверхность.

Многие астрономы смотрят на такое развитие событий с надеждой, ведь после 1972 года внимание космических агентств всех стран к Луне резко охладело. Сейчас же некоторые проводят параллель с 1960 годами, когда полет на Луну рассматривался в первую очередь в политическом ключе. «Эти инициативы (возвратиться на Луну) представляются скорее техническими и экономическими, чем научными», - написал американский астроном Джозеф Силк в январе 2018 года в журнале Nature. - «Если мы сегодня не займемся вопросом вплотную, нам будет не хватать важной детали – лунного телескопа, способного помочь ответить на один из важнейших вопросов человечества: каковы наши космические истоки?»

Пробел в биографии Вселенной

Джозеф Силк напоминает, что обратная сторона Луны является наилучшим местом во внутренней Солнечной системе для низкочастотных радиосигналов. Это действительно лучшая позиция, откуда можно было бы нащупать определенные «отпечатки пальцев» большого взрыва. Речь идет о радиосигналах на волне в 21 сантиметр, которая соответствует решающей эпохе молодой вселенной. 13,76 миллиарда лет назад, а именно через 380 000 лет после большого взрыва, из протонов и электронов образовались первые нейтральные атомы, и вселенная стала прозрачной. Это событие отпечаталось в фоновом космическом излучении, которое можно измерить. Но вот о времени, наступившем после этого, исследователи не знают практически ничего. Лишь несколькими сотнями миллионов лет позже появились первые звезды, самые яркие из которых могут быть выявлены новыми сверхчувствительными инструментами, как стартующий через два года James-Webb-Teleskop. «Да, у нас имеется серьезный пробел в биографии вселенной», - говорит Хейно Фальке из Государственного университета Неймегема в Голландии.

Хейно Фальке относится к ученым, кто продвигает идею новой лунной радиоастрономии. Он был среди тех, кто старался поместить радиоастрономический инструмент на борт посадочного европейского лунного модуля, причем он не сдался и после того, как это оборудование было вычеркнуто из списка. В эти дни разработанный его группой инструмент находится на пути в Китай, где его установят на космический зонд. Этот аппарат будет запущен в мае в качестве спутника-ретранслятора для следующего китайского прилуняемого зонда «Чанъе-4» (конец 2018 года), но он станет и первым зондом, доставившим на луну радиоастрономический инструмент. Фальке рассматривает это лишь в качестве первого шага. «Мы хотим попробовать, сможем ли мы получить на обратной стороне Луне качественные результаты измерений», - говорит радиоастроном.

Обратная сторона Луны. Фото NASA/GSFC/Arizona State University.

А вот следующие шаги в направлении лунного радиотелескопа будут более претенциозными: Фальке и его коллеги хотели бы разместить тысячи или даже миллионы маленьких измерительных антенн в реголите на обратной стороне Луны. Такая измерительная сеть стала бы функционировать подобно радиоинтерферометру LOFAR (Low Frequency Array), который с 2010 года, имея более 1000 измерительных станций по всей Европе, считается крупнейшим радиотелескопом на Земле. Эти измерительные антенны чрезвычайно просты. «Они состоят всего из трех проводков и капельки электроники», - говорит Фальке. Это открывает принципиальную возможность просто сбросить на поверхность обратной стороны Луны множество крошечных антенн LOFAR. Правда, сигналы этих антенн необходимо будет собирать воедино, обрабатывать и передавать на Землю. Поэтому исследователи не возражают и против наличия на месте работы радиотелескопа людей, которые в случае необходимости могли бы провести регламентные и ремонтные работы.

Холодные телескопы в лунных кратерах

Уже давно существуют и другие идеи использования Луны для астрономических исследований, например, вариант естественно охлаждаемого инфракрасного телескопа. К сожалению, большая часть инфракрасного излучения блокируется земной атмосферой, а космические телескопы на земной орбите нуждаются в затратном охлаждении гелием. Так, к примеру, инфракрасный телескоп ЕКА Herschel израсходовал весь запас этого хладагента всего за четыре года. Вместо этого такой телескоп можно было бы соорудить в одном из постоянно затененных кратеров вблизи лунного южного полюса, предлагает Джозеф Силк. Ведь здесь температуры держатся обычно в пределах всего 30 градусов Кельвина.

Кроме того, Луна представляет собой хорошую возможность использования телескопов в спектрах видимого света, ультрафиолета или для так называемых субмиллиметровых волн, которые для получения оптимальных результатов необходимо связать друг с другом, как это делается и с современными земными телескопами. Техника, которую называют интерферометрией, тщательно испробована на земных телескопах, но требует точного наложения уловленного света. «Для таких интерферометрических наблюдений решающим является прочное неподвижное основание», - говорит Фальке. – «Именно по этой причине такие системы мы могли использовать только на твердой земной поверхности». На Луне же такая прочная неподвижная основа имеется тоже.

На спутнике Земли открываются возможности для жидкостных и других экзотических форм телескопов, что сделало бы ненужной транспортировку шлифованных громадных зеркал. В частности, если запустить вращение зеркальной жидкости, где само по себе возникнет изогнутая зеркальная поверхность. Немало таких жидкостных телескопов работает по всему миру, а используется в них ртуть. Но на Земле они не могут раскрыть свои способности в полной мере, потому что ртуть на внешнем краю быстрее трется об окружающий воздух, чем в центре: жидкая поверхность рябит, и картинка искажается. В вакууме же такого искажения быть не может. Поэтому уже высказывалась идея соорудить на Луне 100-метровый зеркальный жидкостный телескоп. И такие телескопы, где используется жидкий металл, обещают стать весьма успешными в лунной астрономии.

Лунная пыль как проблема для техники

Но пока что решены далеко не все технические проблемы. К таковым относится и экстремальный лунный ритм день-ночь. Работающее здесь устройство должно переносить две недели солнечного света столь же хорошо, как и две недели абсолютной темноты. Постоянно затененные кратеры южного полюса выглядят для астрономических наблюдений весьма перспективно, но расположенные в них приборы должны каким-то образом постоянно обеспечиваться электроэнергией, а частично и подогревом.

К тому же до сегодня так до конца и неясно, действительно ли Луна обеспечивает идеальные астрономические условия. Астронавты миссий Аполлон описывали ситуации, когда лунная пыль липла ко всему подряд, что иногда вызывало перегрев некоторых элементов. В этом смысле возникают опасения за линзы, твердые зеркала и электронные сенсоры телескопов. Происходит это потому, что пыль из-за наличия в ней доли железа электрически заряжается и может в результате воздействия солнечных лучей взлетать с поверхности. И даже для радиотелескопов на обратной стороне Луны могут создаваться помехи, когда в периоды слабой солнечной активности во внутреннюю Солнечную систему усиленно проникают космические лучи извне.

Тем не менее причина того, что на Луне до сих пор нет телескопов, весьма прозаична. В одном из исследований научного потенциала различных дисциплин на Луне, астрономия, по сравнению с геологией и даже биологическими и медицинскими опытами, оказалась значительно позади. Выводы исследования: тамошние астрономические возможности могли бы стать дополнительным стимулом для возвращения человека на Луну, но не стали бы его основной движущей силой. Джозеф Силк сказал по этому поводу, что астрономам следует более четко формулировать, какой научный потенциал представляет Луна для их поля деятельности.

И Хейно Фальке тоже понятно, что астрономам здесь пока отводится место «для проезда на подножке». Но то, что уже вскоре на Луне будет создана инфраструктура для работы там людей, это бесспорно. «Это можно сравнить с хорошим шоссе, которое обеспечивает экономическое развитие отсталым регионам», - говорит Фальке. Передающие антенны, локальные компьютеры и, что самое важное, подготовленные техники – это предпосылки для того, чтобы идеи астрономов были реализованы.

Как минимум для радиоастронома Фальке совершенно ясно, что следующим шагом станет Луна. Его гильдия наблюдает за космическим радиообъектами, излучение которых значительно меньше излучения радиотелефона или микроволновки. «Если мы действительно хотим проводить наши измерения без помех, нам уже сейчас нужно удаляться далеко в австралийскую глубинку», - говорит радиоастроном. - «Но и там мы не сможем избавиться от пролетающих самолетов и спутников». И еще. Уже более десятка лет назад радиоастрономы были великолепным образом пролоббированы: в 2003 году Международный телекоммуникационный союз назвал обратную Земле сторону Луны защитной зоной, чтобы обеспечить работу без помех будущих поколений радиоастрономов.