Σχεδιάζοντας ένα τηλεσκόπιο στη Σελήνη για να δούμε τον Κοσμικό Μεσαίωνα

Πηγή: ScienceDaily, 28 Μαΐου 2008

Μια ομάδα επιστημόνων και μηχανικών με επικεφαλής το Ερευνητικό Εργαστήριο Ναυτικού (NRL) θα μελετήσει το σχεδιασμό ενός τηλεσκοπίου πάνω στο φεγγάρι, με σκοπό να αναζητήσει πληροφορίες για την τελευταία ανεξερεύνητη εποχή στην ιστορία του Κόσμου. Η NASA έχει αναγγείλει ότι θα υποστηρίξει μια σειρά μελετών που θα εστιάσουν την παραγωγή διαστημικών αποστολών της επόμενης γενιάς για την αστρονομία. Αυτές οι μελέτες θα συμβάλουν στην Δεκαετή Έρευνα, μια προσπάθεια που αναλαμβάνεται κάθε 10 χρόνια από τους αστρονόμους και τους φυσικούς, για να τεθούν οι προτεραιότητες για τις μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις στην αστρονομία και την αστροφυσική. Η επερχόμενη Δεκαετής Έρευνα θα γίνει τα επόμενα δύο χρόνια.

Ο κρατήρας Tsiolkovsky είναι μια σχετικά επίπεδη περιοχή στην αθέατη πλευρά του φεγγαριού. Ένα διαστημικό όχημα θα ξεφόρτωνε μια σειρά ρόβερ, που θα μετέφεραν μεμονωμένες κεραίες. Τα αστρονομικά σήματα που θα λαμβάνονται από τις κεραίες θα διαβιβαζόταν πίσω στο κεντρικό όχημα για την επεξεργασία.

Μεταξύ των αποστολών που μελετώνται είναι το Σεληνιακό Συμβολόμετρο Κοσμικού Μεσαίωνα (DALI), και θα πρόκειται για ένα τηλεσκόπιο πάνω στο φεγγάρι που θα μελετήσει μια εποχή του Πρώιμου Σύμπαντος, κατά τη διάρκεια των πρώτων 100 εκατομμυρίων ετών του. Αν και τον ουρανό της νύχτας γεμίζουν αστέρια, αυτά τα αστέρια δεν σχηματίστηκαν αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Υπήρξε ένα διάστημα, που ονομάζεται τώρα "Σκοτεινή Εποχή" ή Κοσμικός Μεσαίωνας, όπου ο Κόσμος ήταν άδειος από κάθε αστέρι.

Το αφθονότερο στοιχείο στον Κόσμο, και η πρώτη ύλη από την οποία σχηματίστηκαν τα αστέρια, οι πλανήτες, και οι άνθρωποι είναι υο υδρογόνο. Ευτυχώς, το άτομο του υδρογόνου μπορεί να παραγάγει ένα σήμα με μήκος  κύματος 21 εκατοστά του Η/Μ φάσματος. Ένα μήκος κύματος πολύ πιο μεγάλο από αυτό που το ανθρώπινο μάτι μπορεί να ανιχνεύσει. Εάν  μπορούν να ανιχνευθούν τα πρώτα αυτά σήματα από τα άτομα του υδρογόνου στις Σκοτεινές Εποχές, τότε οι αστρονόμοι μπορούν ουσιαστικά να εξετάσουν πώς εξελίχθηκαν τα πρώτα αστέρια, οι πρώτοι γαλαξίες, και τελικά ο Κόσμος.

Επειδή ο Κόσμος διαστέλλεται, τα σήματα των 21 εκατοστών από αυτά τα απόμακρα άτομα υδρογόνου, θα έχουν 'τεντωθεί' (ή θα έχουν μετατοπιστεί προς το υπέρυθρό άκρο του φάσματος) σε πολύ πιο μακρά μήκη κύματος, της τάξεως των μερικών μέτρων. Ενώ οι αστρονομικές παρατηρήσεις στα ραδιοκύματα έχουν μια μακρά ιστορία, αυτό το κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος σήμερα χρησιμοποιείται ευρέως για διάφορες αστικές και στρατιωτικές μεταδόσεις, οι οποίες είναι εκατομμύρια φορές πιο έντονες από το σήμα του υδρογόνου που επιδιώκουν οι αστρονόμοι να ανιχνεύσουν. Επιπλέον, τα ανώτερα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας είναι ιονισμένη (η ιονόσφαιρα δηλαδή), η οποία διαστρεβλώνει τα αστρονομικά σήματα καθώς περνούν μέσα της στο δρόμο προς τα τηλεσκόπια του εδάφους.

Χωρίς καμιά ατμόσφαιρα και ένα προστατευτικό κάλυμμα από τη Γη, η αθέατη μακρινή πλευρά του φεγγαριού, παρουσιάζει ένα σχεδόν ιδανικό περιβάλλον για ένα ευαίσθητο τηλεσκόπιο της Σκοτεινής Κοσμικής Εποχής.

Οι επιστήμονες και μηχανικοί λοιπόν του NRL θα αναπτύξουν σχέδια για μια νέα κεραία που να μπορεί να επιζήσει μέσα στο σκληρό σεληνιακό περιβάλλον,  και να μπορεί να αναπτυχθεί στο φεγγάρι πέρα από την επόμενη δεκαετία. Η ομάδα θα στηριχτεί επίσης στην εμπειρία τους να αναπτυχθεί ένα ραδιοπαρατηρητήριο για πειράματα, που θα βρισκόταν στην κοντινή πλευρά του φεγγαριού.

Ο υπεύθυνος του προγράμματος στο NRL, Joseph Lazio, επισήμανε ότι η DALI θα είναι ένα από τα ισχυρότερα τηλεσκόπια που θα φτιαχτεί ποτέ, και θα μας φέρει πιο κοντά στο να μάθουμε από που προήλθε ο Κόσμος μας και πού πηγαίνει.

Επιστήμονες και μηχανικοί από διάφορα ιδρύματα και κέντρα της NASA συμμετέχουν στη μελέτη του Dark Ages Lunar Interferometer όπως το κέντρο διαστημικής πτήσης Goddard, το εργαστήριο αεριοπροώθησης, το πανεπιστήμιο του Κολοράντο, το Αστροφυσικό Παρατηρητήριο Smithsonian, ραδιοπαρατηρητήρια και αρκετά πανεπιστήμια.

Η εξήγηση για τη γραμμή 21 cm του υδρογόνου

Ευτυχώς, ακόμη και το ψυχρό υδρογόνο μπορεί να εκπέμψει κάποια μορφή φωτός. Τα υποατομικά σωματίδια έχουν έναν εγγενή προσανατολισμό του σπιν, που μπορεί να δείχνει είτε προς τα "πάνω" είτε προς τα "κάτω." Το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου μπορεί να έχουν και τα δύο την ίδια κατεύθυνση (ευθυγραμμισμένα σπιν) ή αντίθετες κατευθύνσεις (αντιπαράλληλα σπιν). Με τα αντιπαράλληλα σπιν το άτομο έχει χαμηλότερη ενέργεια. Εάν, παραδείγματος χάριν, τα σπιν του ηλεκτρονίου και πρωτονίου δείχνουν πάνω, και ξαφνικά το σπιν του ηλεκτρονίου δείχνει προς κάτω, τότε η ενέργεια του ατόμου μειώνεται και εκπέμπει ένα φωτόνιο με το γνωστό μήκος κύματος των 21 εκατοστόμετρων. Αντιθέτως, εάν το άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο αυτού του μήκους κύματος, τότε το σπιν του ηλεκτρονίου αλλάζει κατεύθυνση προς τα πάνω.

Ένα φωτόνιο μήκους 21 εκατοστών έχει πολύ λιγότερη ενέργεια από τα φωτόνια που εκπέμπονται από το υδρογόνο όταν τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν μεταξύ των τροχιών του. Για αυτόν τον λόγο, η διαδικασία αλλαγής κατεύθυνσης του σπιν ήταν ικανή να λειτουργήσει ακόμα και όταν δεν είχε αρχίσει η φωτοβολία των άστρων. Η ακτινοβολία υποβάθρου καθώς και οι συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων θα είχαν προσφέρει ικανή ενέργεια για να μετατρέψουν τον προσανατολισμό στο σπιν στα ηλεκτρόνια, και να αναγκάσουν το υδρογόνο να λάμψει εξασθενημένα. 

Πώς μπορούμε να δούμε στο σκοτάδι του Κοσμικού Μεσαίωνα

Για διάφορους λόγους, ο χάρτης των 21 εκατοστών μπορεί να φέρει περισσότερες πληροφορίες από οποιαδήποτε άλλη έρευνα στην κοσμολογία, περισσότερες και από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Κατ' αρχάς, ενώ η εικόνα του υποβάθρου μικροκυμάτων είναι δισδιάστατη, επειδή δημιουργήθηκε σε μια μόνο στιγμή στον χρόνο (όταν το σύμπαν ψύχθηκε κάτω από 3.000 Κelvin), ο χάρτης των 21 εκατοστών θα είναι πλήρως τρισδιάστατος. Δεύτερον, το υπόβαθρο των μικροκυμάτων είναι κάπως θολό επειδή η απελευθέρωση του δεν εμφανίστηκε συγχρόνως παντού. Το σύμπαν πέρασε από μια περίοδο που δεν ήταν ούτε πλήρως αδιαφανές, ούτε πλήρως διαφανές, σαν μια ομίχλη που διαλύεται βαθμιαία. Κατά τη διάρκεια εκείνης της εποχής, η ακτινοβολία διαχέεται σε κλίμακες μικρής απόστασης, θολώνοντας το λεπτό σχήμα στον ουρανό του υποβάθρου των μικροκυμάτων.

Σε αντίθεση, όταν προέκυψε η ακτινοβολία των 21 εκ. από τα άτομα του υδρογόνου, τίποτα δεν εμπόδισε τη διάδοσή της μέσα στο χώρο, κι έτσι αυτή ανιχνεύει τη κατανομή του αερίου χωρίς τέτοιο θόλωμα. Τρίτον, το υπόβαθρο των μικροκυμάτων φέρνει πληροφορίες για τις διακυμάνσεις της πυκνότητας της ύλης που έσπειραν τους γαλαξίες, ενώ ο χάρτης των 21 εκ. θα απεικονίσει και τους σπόρους των γαλαξιών και την επίδραση που είχαν οι γαλαξίες μόλις σχηματίστηκαν, στα περίχωρά τους.

Για να ανιχνεύσουν το σήμα των 21 εκ., οι παρατηρητές πρέπει να υπερνικήσουν πολυάριθμα εμπόδια. Οι χαμηλής συχνότητας ραδιοφωνικές μεταδόσεις στη Γη πρέπει να φιλτραριστούν. Ακόμη περισσότερο δύσκολο θα είναι να εξεταστεί η ραδιοεκπομπή από το Γαλαξία μας, που είναι 10.000 φορές εντονότερη από το σήμα που εκπέμφθηκε την εποχή του επανιονισμού. Ευτυχώς, ο γαλαξιακός θόρυβος είναι κατά προσέγγιση ο ίδιος σε ελαφρώς διαφορετικά μήκη κύματος, αν και το σήμα κυμαίνεται ανάλογα με το μήκος κύματος, που ανακλά τη χωρική δομή από τις ιονισμένες φυσαλίδες. Αυτή η διαφορά κάνει δυνατή την εξαγωγή του σήματος. Οι αστρονόμοι πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνουν τους χάρτες των 21 εκ. με τις εικόνες από όργανα όπως είναι το μελλοντικό διαστημικό τηλεσκόπιο JWST.

Η Σκοτεινή Εποχή ήρθε μετά την εποχή που εκπέμφθηκε η Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (~380.000 χρόνια μετά το big bang). Συγκεκριμένα, άρχισε 1.000.000 χρόνια μετά το Big Bang και τελείωσε την εποχή που άρχισαν να σχηματίζονται τα πρώτα άστρα και ξεκινούσε να επαναϊονίζεται το διαγαλαξιακό αέριο (κάπου 100 εκατ. χρόνια μετά το Big Bang)  [κτυπήστε εδώ για μια πιο αναλυτική φωτογραφία]