Radioteleskop auf der anderen Seite des Mondes: Wie die dunklen Zeiten des Universums erforscht werden

Es gibt eine Ära in der Geschichte der Entwicklung des Universums, über die Wissenschaftler noch sehr wenig wissen. Wie ist es nicht

Überraschenderweise sind dies nicht die allerersten Momente danachUrknall. Die am meisten verborgene Zeit ist das Dunkle Zeitalter, eine frühe Ära der kosmologischen Geschichte, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall begann.

Zu dieser Zeit gab es weder Sterne noch Planeten.Aus der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung kann auf die Geschichte des frühen Universums geschlossen werden, das dem Mittelalter vorausging. Aber es gibt immer noch keine Möglichkeit, die es Astrophysikern ermöglichen würde, zu beobachten, was während des dunklen Zeitalters geschah. Obwohl es im Weltraum immer noch Radiowellen aus dieser Zeit gibt, wurden diese Signale von Beobachtern auf unserem Planeten aufgrund der zahlreichen Funkstörungen auf der Erde verdeckt. 

Aber die Forscher geben nicht auf, einen Weg zu finden, die Signale des Mittelalters zu hören. Zu diesem Zweck plant die NASA den Bau des LuSEE-Night-Radioteleskops auf der anderen Seite des Mondes.

Was sind die dunklen Zeitalter des Universums?

Die moderne kosmologische Theorie beschreibtdas frühe Universum als ein Ort mit extrem extremen Bedingungen. Die gesamte Energie und Materie im Universum war in einem winzigen Raum konzentriert, der eine Milliarde Mal heißer ist als das Zentrum der Sonne. 

Schon in den ersten Augenblicken nach dem UrknallDas Universum ist so weit abgekühlt, dass sich die ersten Elementarteilchen wie Quarks und Elektronen bilden können. Quarks verbanden sich zu Protonen und Neutronen, und bald darauf bildeten sich Deuterium-, Helium- und Lithiumkerne. Energie reiste in Form von Photonen durch das entstehende Universum, aber dieses frühe Licht prallte auf Schritt und Tritt von freien Elektronen ab, die noch an kein Atom gebunden waren.

Bis zum Ende dieser Ära etwa 380.000 JahreJahre nach dem Urknall kühlte sich das Universum so weit ab, dass Protonen begannen, Elektronen anzuziehen und zum ersten Mal neutrale Atome zu bilden. Dieser Vorgang wird als Rekombination bezeichnet, was ein allgemeiner chemischer Begriff ist, der das Einfangen freier Elektronen durch geladene Ionen beschreibt. Zu Beginn des Mittelalters kam es zum ersten Mal zu einer solchen Gefangennahme.

Astrophysiker wissen, wie das Universum vor nicht allzu langer Zeit aussahvor dem Beginn des dunklen Zeitalters. Als die ersten neutralen Atome gebildet wurden, setzte der Prozess Lichtphotonen frei, die im ganzen Universum verstreut wurden und eine „Momentaufnahme“ der Bedingungen erstellten. Dieser kosmische Mikrowellenhintergrund oder die kosmische Hintergrundstrahlung wird immer noch aufgezeichnet und zeigt, dass das Universum damals eine mehr oder weniger gleichmäßige Dichte mit sehr kleinen Kräuselungen aufwies.

Vor der Entstehung der ersten Sterne gab es wenig Licht,Abgesehen von Wasserstoffatomen, die zu dieser Zeit den größten Teil der baryonischen Materie ausmachten, bestand der größte Teil des Universums aus dunkler Materie, die kein Licht aussendet und überhaupt nicht mit elektromagnetischen Wellen interagiert. Forscher glauben, dass die neutralen Wasserstoffatome, die das Universum füllten, die meisten ultravioletten Photonen, die von den allerersten Sternen emittiert wurden, gestreut oder absorbiert haben.

Das Universum ist für UV-Strahlung wieder durchlässig gewordennach der Entstehung einer ausreichenden Anzahl der ersten Sterne und Galaxien - mehrere hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Materie verdichtete sich und begann Strukturen zu bilden, die heute das Universum durchdringen. Einige der ersten Sterne waren massereich und hell, ihr Licht war energiereich genug, um Elektronen in einem Prozess, der als Ionisierung bekannt ist, aus den umgebenden Wasserstoffatomen herauszuschlagen. Und im Gegensatz zu neutralen Atomen absorbiert oder streut ionisierter Wasserstoff kein Licht.

Karte der Entwicklung des Universums. Bild: Roen Kelly, Astronomie

Warum die andere Seite des Mondes?

Um die Verteilung von neutralem Wasserstoff zu untersuchen,die im Mittelalter den größten Teil der baryonischen Materie ausmachte, kann man die Analyse der neutralen Wasserstoff-Radiolinie oder der 21-cm-Linie verwenden, einem hyperfeinen Übergang von neutralem Wasserstoff, der vor dem Hintergrund des CMB sichtbar ist.

Mit einer spontanen Änderung der Ausrichtung des MagnetenIm entgegengesetzten Moment eines Elektrons sendet ein neutrales Wasserstoffatom ein Quantum elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von 21,1 cm aus. Eine solche Strahlung kommt äußerst selten vor, ist aber im Maßstab einer großen Anzahl einzelner Atome stark genug, um auffällig zu werden.  

Aufgrund der Rotverschiebung verursacht durchMit der Expansion des Universums wird die Wellenlänge der neutralen Wasserstofflinie aus den Atomen des Mittelalters weiter erhöht. Dies ist ein extrem schwaches Signal, das in vielen Funkstörungen verloren geht.

Mond und Erde sind durch Gezeiten verbunden, was bedeutetdass sich ein natürlicher Satellit mit der gleichen Geschwindigkeit um seine Achse dreht wie um den Planeten. Dieses Phänomen wird als Gezeiteneinfang bezeichnet, weshalb der Mond der Erde immer auf einer Seite zugewandt ist. Die Rückseite des Satelliten ist nachts durch seine eigene Masse vor vielen Funkstörquellen geschützt.

Die andere Seite des Mondes liegt in völliger Dunkelheitwährend 14 Erdentagen gefolgt von 14 Tagen intensiver Sonneneinstrahlung. Dadurch schwankt die Temperatur an seiner Oberfläche von -173 °C nachts auf +127 °C, wobei innerhalb weniger Stunden ein starker Temperaturwechsel erfolgen kann.

Diese Bedingungen schaffen sehr schwierige Bedingungen fürBetrieb von Raumfahrzeugen. Geräte, die mehrere Tag-Nacht-Zyklen überstehen, müssen tagsüber im Vakuum Wärme abführen und nachts nicht einfrieren und gleichzeitig im Dunkeln arbeiten, wenn die Sonne keine unnötigen Störungen erzeugt.

Wie funktioniert LuSEE-Night?

LuSEE-Night ist eine Erkundungsmission der NASADer Zweck besteht darin, ein Radioteleskop auf der anderen Seite des Mondes zu landen und die genauesten Messungen des Himmels bei Frequenzen unter 0,1 bis 50 MHz durchzuführen. Es wird voraussichtlich 2025 zum Mond geliefert und nach der Landung 18 Monate lang betrieben.

Der Landeplatz der Mission LuSEE-Night. Bild: Brookhaven National Laboratory

Das Teleskop wird an einen Punkt mit den Koordinaten 23° geliefert48′ 50″ S und 176° 49′ 47″ ed. Dies ist ein bequemer Landeplatz, der sich in der Nähe des Antimeridians befindet – einer Linie, die die Pole des Satelliten verbindet und von der Erde abgewandt ist, wo die Funkstörungen vom Planeten minimal sind. Nach der Landung schaltet sich der LuSEE-Night-Lander dauerhaft ab, um Störungen zu vermeiden.

Die Antennenanordnung des Teleskops besteht aus vierUnsymmetrische 3-Meter-Antennen. Es wird auf einer motorisierten Plattform namens Drehscheibe montiert. Das Bewegen der Antenne hilft, verschiedene Signalkombinationen zu messen. Die gesammelten LuSEE-Night-Daten werden an einen Repeater-Satelliten übertragen, der den Mond umkreist und Daten zur Erde sendet.

LuSEE-Night ist kein Standard-Radioteleskop.Es ist eher wie ein Radio. Es funktioniert wie ein UKW-Radio und empfängt Radiosignale im selben Frequenzband. Im Mittelpunkt steht das Spektrometer. Wie ein Radiotuner kann es Funkfrequenzen isolieren und Signale in elektromagnetische Strahlungsspektren umwandeln.

Anje Slosar, Physikerin am Brookhaven National Laboratory, eine der Entwicklerinnen des LuSEE-Night-Teleskops

Vier Antennen des LuSEE-Night-Teleskops. Bild: Brookhaven National Laboratory

Obwohl die Forscher nicht sicher sind, ob das Teleskop dazu in der Lage sein wirdUnmittelbar nach Arbeitsbeginn das Funksignal aus dem Mittelalter reparieren. Sie stellen fest, dass er ein Pionier ist, was zeigen sollte, welche Art von Daten Forscher auf der anderen Seite des Mondes im Prinzip erhalten können. Vielleicht erfordern echte Entdeckungen neue Missionen, aber der erste Schritt ist immer einer der schwierigsten.

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Auf dem Cover: Die andere Seite des Mondes. Bild: NASA, gemeinfrei, über Wikimedia Commons