Главная притягательность обратной стороны Луны для учёных в том, что это самое перспективное место в Солнечной системе для строительства телескопов нового поколения. Расскажем, почему она так привлекательна для астрономических наблюдений и какие существуют проекты по строительству телескопов в этом месте.
Есть несколько факторов, которые затрудняют наблюдение за удалёнными космическими объектами.
Хотя технологии адаптивной оптики, включающие сложные системы зеркал, компенсирующие дрожание атмосферы, помогают улучшить чёткость наземных телескопов, они не могут решить проблему поглощения волн атмосферой и не спасают от радиопомех.
Световое загрязнение от крупных городов, таких как Москва, снижает возможности по наблюдению за космическими объектами.
Казалось бы, решение — вывести телескопы в космос, на орбиту Земли, как знаменитый «Хаббл» или новейший «Джеймс Уэбб» (JWST). Это действительно избавляет от атмосферных искажений. Но и здесь есть свои сложности.
Почему же именно обратная сторона Луны считается идеальным местом для ведения астрономических наблюдений? Все дело в уникальном сочетании нескольких факторов.
Радиотишина. Массивное тело Луны действует как гигантский естественный щит, полностью блокируя все радиоволны, идущие с Земли. Это делает обратную сторону Луны самым тихим местом во всей Солнечной системе в радиодиапазоне. Особенно важна эта тишина для изучения «темных веков» — эпохи примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва и до того, как зажглись первые звёзды и галактики (примерно до 550 миллионов лет после Большого взрыва). В это время Вселенная была заполнена в основном нейтральным водородом, который испускал очень слабое излучение на длине волны около 21 см, что соответствует частоте примерно 1420 МГц. Однако из-за расширения Вселенной это излучение «растягивается» по дороге к Земле и превращается в длинные радиоволны — 10 метров и более (частоты ниже 30 МГц).
Эти низкочастотные волны несут информацию о структуре ранней Вселенной, о том, как зарождались первые неоднородности, из которых потом выросли галактики. Но поймать их с Земли невозможно: их блокирует ионосфера — верхний заряженный слой нашей атмосферы — и заглушает мощный земной радиофон. Даже орбитальные радиотелескопы не могут полностью избавиться от земных помех. Обратная сторона Луны — единственное известное место, где можно спокойно «слушать» эти реликтовые сигналы и исследовать «тёмные века» космической истории.
Отсутствие атмосферы. Это обеспечивает прямой доступ ко всему электромагнитному спектру — от гамма-лучей и рентгена до ультрафиолета, видимого света, инфракрасных и радиоволн. Нет атмосферной турбулентности, искажающей изображения, нет поглощения волн, нет облаков и плохой погоды. Телескопы видят космос таким, какой он есть, с максимальной чёткостью.
Фото Земли с поверхности Луны, сделанное миссией «Аполлон 11» в июле 1969 года
Стабильная поверхность. В отличие от динамичной Земли с её тектоникой плит и сейсмической активностью обратная сторона Луны считается геологически очень спокойной. Благодаря этому спутник Земли привлекателен для строительства крупных и точных инструментов, например интерферометров. Эти приборы собирают сигналы от нескольких небольших, разнесённых на большое расстояние телескопов (или антенн), объединяют их и обрабатывают так, как будто они получены одним гигантским телескопом. Это позволяет достичь невероятно высокого разрешения.
Температура окружающей среды. Несмотря на то что разница температур между днем и ночью на Луне может составлять более 280 градусов, каждый из этих периодов составляет примерно 14 земных суток. Это значит, что в лунную ночь астрономы могут примерно две недели вести наблюдения за звёздным небом в условиях высокой стабильности. Это ценно для инфракрасных телескопов, которые изучают тепловое излучение объектов. Чтобы уловить слабое тепло от далёких звёзд и галактик, сам телескоп должен быть очень холодным, иначе его собственный тепловой «шум» будет мешать измерениям. Ещё более привлекательными выглядят постоянно затенённые кратеры у лунных полюсов — там царит вечный мрак и температуры могут опускаться до –200°C и ниже.
Первая фотография обратной стороны Луны
Уникальное сочетание всех этих факторов — радиотишины, отсутствия атмосферы, стабильности поверхности и холода — делает обратную сторону Луны такой привлекательной для астрономических наблюдений.
Планы по созданию лунных обсерваторий уже обретают конкретные очертания в проектах разных стран и организаций.
Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) разрабатывается Лабораторией реактивного движения NASA (JPL). Идея состоит в том, чтобы превратить естественный лунный кратер диаметром в несколько километров на обратной стороне Луны в гигантский радиотелескоп. Внутри кратера роботы должны будут развернуть огромную проволочную сетку диаметром до километра, которая будет собирать ультрадлинные радиоволны (10–100 метров, или 3–30 МГц) — те самые, что несут информацию о «темных веках» Вселенной. Этот проект находится сейчас на второй стадии разработки концепции, поэтому ждать его скорого воплощения в жизнь не приходится.
Концепт телескопа Lunar Crater Radio Telescope (LCRT)
FARSIDE — ещё один концепт NASA. Он предлагает иной подход к радиоастрономии на Луне. Вместо одной гигантской антенны планируется создать интерферометрический массив: 128 простых дипольных антенн, похожих на старые телевизионные, будут развернуты луноходом на огромной площадке диаметром 10 км. Работая вместе как единый инструмент, они смогут изучать не только «тёмные века», но и искать слабые радиосигналы от магнитосфер экзопланет (магнитные поля вокруг планет у других звёзд, наличие которых может быть важно для защиты потенциальной жизни от излучения звезды). FARSIDE будет работать в диапазоне частот от 100 кГц до 40 МГц. Концепция миссии уже проработана, а её ориентировочная стоимость оценивается в $1,3 миллиарда.
Проект LuSEE-Night находится ближе всего к реализации. Это совместная разработка NASA и Министерства энергетики США, представляющая собой роботизированный радиотелескоп с четырьмя монопольными антеннами. Его цель — провести первые прямые измерения радиоизлучения «тёмных веков» в диапазоне 0.1–50 МГц. Запуск аппарата в рамках проекта запланирован уже на конец 2025 или 2026 года в рамках программы CLPS (Commercial Lunar Payload Services), которая использует коммерческие посадочные модули для доставки научных грузов NASA на Луну.
Проект International Lunar Observatory (ILO), реализуемый некоммерческой организацией ILOA с Гавайев в сотрудничестве с партнерами из Китая (NAOC), Гонконга и других стран, ставит целью создание постоянной многофункциональной обсерватории у Южного полюса Луны, на горе Малаперт. Первый тестовый инструмент ILO-X уже был запущен в феврале 2024 года, однако связь с ним была потеряна. Основная миссия ILO-1, запуск которой планируется на 2026–2027 годы, будет включать небольшой (7 см) оптический телескоп системы Шмидта-Кассегрена (популярная компактная схема телескопа с зеркалами и линзой) для астрофизических наблюдений. Этот проект интересен своим фокусом на относительной дешевизне и скорости реализации.
Международная научная лунная станция (ILRS) — инициатива Китая и России, открытая для присоединения других стран. Это план строительства большой, постоянно действующей научной базы на Луне. Хотя астрономия — лишь одно из направлений ILRS, на этапе строительства станции, которое намечено на 2026--2035 годы, планируется создание возможностей для астрономических наблюдений и изучения Земли с Луны. В долгосрочной перспективе постоянная база со своей энергетикой, логистикой и, возможно, присутствием человека может открыть путь к строительству на Луне более крупных и сложных обсерваторий. Но всё это — дело точно не ближайшего будущего.
Предполагаемая инфраструктура Международной научной лунной станции
Очевидная проблема для любой миссии на обратной стороне Луны — связь с Землёй. Практически вся поверхность этой части спутника всегда повёрнута в обратную сторону от нашей планеты, из-за чего радиосвязь с ней невозможна. Но решение этой проблемы существует и уже опробовано: использование спутников-ретрансляторов, находящихся на орбитах вокруг Луны.
Пионером здесь стал Китай. Для поддержки своей миссии «Чанъэ-4», впервые в истории совершившей мягкую посадку на обратной стороне Луны в 2019 году, Китай запустил спутник «Цюэцяо-1» («Сорочий мост — 1»). А в марте 2024 года на смену ему пришел более совершенный «Цюэцяо-2». Эти спутники размещены на так называемой гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2 системы «Земля — Луна». В этой точке гравитационные силы Земли и Луны уравновешиваются так, что спутник может стабильно находиться там с минимальными затратами топлива для поддержания стабильности положения. Гало-орбита — это сложная трёхмерная траектория вокруг точки L2, которая позволяет спутнику постоянно видеть и Землю, и нужный район на обратной стороне Луны, обеспечивая непрерывную двустороннюю связь. Планируется, что «Цюэцяо-2» будет обслуживать ещё минимум три будущие китайские миссии «Чанъэ», а также, возможно, и аппараты в рамках ILRS.
Научные задачи лунных обсерваторий амбициозны и охватывают самые разные области астрофизики.
Изучение ранних этапов формирования Вселенной. Будущие лунные телескопы, такие как LCRT и LuSEE-Night, должны попытаться уловить сверхслабое, растянутое расширением Вселенной излучение нейтрального водорода на длинных радиоволнах. Карта распределения этого водорода в пространстве и времени расскажет нам о самых первых этапах формирования крупномасштабной структуры Вселенной — космической паутины из скоплений галактик и пустот между ними. Это позволит проверить существующие космологические модели и понять, как из почти однородного состояния Вселенной после Большого взрыва возникло всё то разнообразие, которое мы видим сегодня.
Поиск и изучение экзопланет. Радиотишина обратной стороны Луны идеальна для поисков слабых радиосигналов, которые могут испускаться магнитосферами экзопланет аналогично тому, как Юпитер генерирует мощное радиоизлучение. Обнаружение и изучение таких сигналов даст информацию о наличии и силе магнитного поля у планеты. А магнитное поле играет ключевую роль в защите поверхности планеты (и потенциальной жизни на ней) от губительного излучения её звезды.
Благодаря отсутствию атмосферы и высокой стабильности платформы они смогут проводить сверхточные транзитные измерения.
Изучение других объектов и явлений, которые плохо видны или вовсе недоступны с Земли. Например, галактик на самых ранних стадиях формирования, скрытых плотными облаками пыли, или распределение тёмной материи. Это лишь малая часть того, что смогут «показать» астрономам лунные телескопы.
Первое изображение экзопланеты 2M1207b (красный шар) вокруг звезды 2M1207, полученное при помощи телескопа VLT
Хотя многие проекты лунных обсерваторий рассчитаны на долгосрочную перспективу, первые научные плоды учёные могут получить уже в ближайшие годы.
Если всё пойдёт по плану, то миссия LuSEE-Night может отправить первые в истории прямые измерения радиофона эпохи «тёмных веков» уже во второй половине этого десятилетия. Примерно в те же сроки, в 2026–2027 годах, ожидается запуск миссии ILO-1 с небольшим оптическим телескопом, который также сможет передать на Землю первые астрофизические наблюдения, сделанные с лунной поверхности в рамках этого проекта.
Более масштабные и сложные проекты, такие как гигантский радиотелескоп в кратере LCRT или массив антенн FARSIDE, потребуют больше времени на разработку, финансирование и реализацию. Первые значимые научные результаты от них, вероятно, появятся не раньше следующего десятилетия.
