Υπάρχει μια εποχή στην ιστορία της ανάπτυξης του Σύμπαντος για την οποία οι επιστήμονες γνωρίζουν ακόμα πολύ λίγα. Πώς δεν είναι
Κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής δεν υπήρχαν αστέρια ή πλανήτες.Η ιστορία του πρώιμου Σύμπαντος, που προηγήθηκε των Σκοτεινών Χρόνων, μπορεί να συναχθεί από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων. Αλλά δεν υπάρχει ακόμη τρόπος που θα επέτρεπε στους αστροφυσικούς να παρατηρήσουν τι συνέβη κατά τη διάρκεια της σκοτεινής εποχής. Αν και τα ραδιοκύματα αυτής της περιόδου εξακολουθούν να υπάρχουν στο διάστημα, η αφθονία των ραδιοπαρεμβολών στη Γη απέκρυψε αυτά τα σήματα από παρατηρητές στον πλανήτη μας.
Αλλά οι ερευνητές δεν σταματούν να προσπαθούν να βρουν έναν τρόπο να ακούσουν τα σήματα των σκοτεινών χρόνων. Για να γίνει αυτό, η NASA σχεδιάζει να κατασκευάσει το ραδιοτηλεσκόπιο LuSEE-Night στην μακρινή πλευρά της Σελήνης.
Ποιοι είναι οι σκοτεινοί αιώνες του σύμπαντος;
Η σύγχρονη κοσμολογική θεωρία περιγράφειτο πρώιμο Σύμπαν ως μέρος με εξαιρετικά ακραίες συνθήκες. Όλη η ενέργεια και η ύλη που υπάρχει στο Σύμπαν συγκεντρώθηκε σε ένα μικροσκοπικό χώρο, ένα δισεκατομμύριο φορές θερμότερο από το κέντρο του Ήλιου.
Ήδη από τις πρώτες στιγμές μετά το Big BangΤο σύμπαν έχει κρυώσει αρκετά ώστε να επιτρέψει το σχηματισμό των πρώτων στοιχειωδών σωματιδίων, όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια. Τα κουάρκ συνδυάστηκαν για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια και αμέσως μετά σχηματίστηκαν πυρήνες δευτερίου, ηλίου και λιθίου. Η ενέργεια ταξίδεψε μέσω του εκκολαπτόμενου σύμπαντος με τη μορφή φωτονίων, αλλά αυτό το πρώιμο φως απομάκρυνε ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία δεν είχαν ακόμη δεσμευτεί σε κανένα άτομο, σε κάθε στροφή.
Μέχρι το τέλος αυτής της εποχής, περίπου 380 χιλιάδες χρόνιαχρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε να επιτρέψει στα πρωτόνια να αρχίσουν να προσελκύουν ηλεκτρόνια και να σχηματίζουν ουδέτερα άτομα για πρώτη φορά. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ανασυνδυασμός, ο οποίος είναι ένας γενικός χημικός όρος που περιγράφει τη σύλληψη ελεύθερων ηλεκτρονίων από φορτισμένα ιόντα. Στις αρχές των Σκοτεινών Χρόνων, μια τέτοια σύλληψη συνέβη για πρώτη φορά.
Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν πώς ήταν το σύμπαν πριν από λίγο καιρόπριν από την αρχή των σκοτεινών αιώνων. Όταν σχηματίστηκαν τα πρώτα ουδέτερα άτομα, η διαδικασία απελευθέρωσε φωτόνια φωτός που διασκορπίστηκαν σε όλο το σύμπαν, δημιουργώντας ένα «στιγμιότυπο» συνθηκών. Αυτό το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο ή η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου καταγράφεται ακόμα και δείχνει ότι εκείνη την εποχή το Σύμπαν ήταν λίγο πολύ ομοιόμορφη σε πυκνότητα, με πολύ μικρούς κυματισμούς.
Υπήρχε λίγο φως πριν από το σχηματισμό των πρώτων άστρων,Εκτός από τα άτομα υδρογόνου, που αποτελούσαν το μεγαλύτερο μέρος της βαρυονικής ύλης εκείνη την εποχή, το μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος αποτελούνταν από σκοτεινή ύλη, η οποία δεν εκπέμπει φως και δεν αλληλεπιδρά καθόλου με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι τα ουδέτερα άτομα υδρογόνου που γέμισαν το Σύμπαν σκόρπισαν ή απορρόφησαν τα περισσότερα από τα υπεριώδη φωτόνια που εκπέμπονταν από τα πρώτα αστέρια.
Το σύμπαν έχει γίνει ξανά διαφανές στην υπεριώδη ακτινοβολίαμετά το σχηματισμό ικανού αριθμού πρώτων αστέρων και γαλαξιών - αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ύλη συμπυκνώθηκε και άρχισε να σχηματίζει δομές που διαπερνούν το Σύμπαν σήμερα. Μερικά από τα πρώτα αστέρια ήταν ογκώδη και φωτεινά, με το φως τους αρκετά ενεργητικό ώστε να εκτινάξει τα ηλεκτρόνια από τα περιβάλλοντα άτομα υδρογόνου σε μια διαδικασία γνωστή ως ιονισμό. Και σε αντίθεση με τα ουδέτερα άτομα, το ιονισμένο υδρογόνο δεν απορροφά ούτε διασκορπίζει το φως.
Χάρτης της εξέλιξης του σύμπαντος. Εικόνα: Roen Kelly, Αστρονομία
Γιατί η μακρινή πλευρά του φεγγαριού;
Για τη μελέτη της κατανομής του ουδέτερου υδρογόνου,που αποτελούσε το μεγαλύτερο μέρος της βαρυονικής ύλης κατά τους Σκοτεινούς Αιώνες, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει την ανάλυση της ραδιογραμμής ουδέτερου υδρογόνου ή της γραμμής 21 εκ. Αυτή είναι μια υπερλεπτή μετάβαση ουδέτερου υδρογόνου, ορατή στο φόντο του CMB.
Με αυθόρμητη αλλαγή στον προσανατολισμό του μαγνητικούστιγμή ενός ηλεκτρονίου στο αντίθετο, ένα ουδέτερο άτομο υδρογόνου εκπέμπει ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκος κύματος 21,1 εκ. Τέτοια ακτινοβολία εμφανίζεται εξαιρετικά σπάνια, αλλά στην κλίμακα ενός τεράστιου αριθμού μεμονωμένων ατόμων είναι αρκετά ισχυρή ώστε να γίνει αισθητή.
Λόγω της μετατόπισης προς το κόκκινο που προκαλείται απόΜε τη διαστολή του σύμπαντος, το μήκος κύματος της ουδέτερης γραμμής υδρογόνου από τα άτομα του Σκοτεινού Αιώνα αυξάνεται περαιτέρω. Αυτό είναι ένα εξαιρετικά αδύναμο σήμα που χάνεται σε πολλές ραδιοφωνικές παρεμβολές.
Το φεγγάρι και η γη συνδέονται με παλίρροιες, που σημαίνειότι ένας φυσικός δορυφόρος περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του με την ίδια ταχύτητα που περιστρέφεται γύρω από τον πλανήτη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται παλιρροϊκή παγίδευση και γι' αυτό η Σελήνη βλέπει πάντα τη Γη στη μία πλευρά. Η πίσω πλευρά του δορυφόρου προστατεύεται από πολλές πηγές ραδιοπαρεμβολών τη νύχτα από τη δική του μάζα.
Η μακρινή πλευρά του φεγγαριού βρίσκεται σε απόλυτο σκοτάδικατά τη διάρκεια 14 γήινων ημερών ακολουθούμενες από 14 ημέρες έντονης ηλιοφάνειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η θερμοκρασία στην επιφάνειά του να κυμαίνεται από -173 °C τη νύχτα σε +127 °C και μπορεί να συμβεί μια απότομη αλλαγή μέσα σε λίγες ώρες.
Αυτές οι συνθήκες δημιουργούν πολύ δύσκολες συνθήκες γιαλειτουργία διαστημικού σκάφους. Οι συσκευές που μπορούν να επιβιώσουν σε πολλούς κύκλους ημέρας και νύχτας πρέπει να αφαιρούν τη θερμότητα στο κενό κατά τη διάρκεια της ημέρας και να μην παγώνουν τη νύχτα και ταυτόχρονα να λειτουργούν στο σκοτάδι, όταν ο Ήλιος δεν δημιουργεί περιττές παρεμβολές.
Πώς θα λειτουργήσει το LuSEE-Night;
Το LuSEE-Night είναι μια αποστολή εξερεύνησης της NASAσκοπός του οποίου είναι να προσγειώσει ένα ραδιοτηλεσκόπιο στην μακρινή πλευρά του φεγγαριού και να κάνει τις πιο ακριβείς μετρήσεις του ουρανού σε συχνότητες κάτω από 0,1 έως 50 MHz. Αναμένεται να παραδοθεί στη Σελήνη το 2025 και να λειτουργήσει για 18 μήνες μετά την προσγείωση.
Το σημείο προσγείωσης της αποστολής LuSEE-Night. Εικόνα: Brookhaven National Laboratory
Το τηλεσκόπιο θα παραδοθεί σε σημείο με συντεταγμένες 23°48′ 50″ μικρό και 176° 49′ 47″ ε.δ. Αυτό είναι ένα βολικό σημείο προσγείωσης, που βρίσκεται κοντά στον αντι-μεσημβρινό - μια γραμμή που συνδέει τους πόλους του δορυφόρου και βλέπει μακριά από τη Γη, όπου η ραδιοπαρεμβολή από τον πλανήτη είναι ελάχιστη. Μετά την προσγείωση, η προσγείωση LuSEE-Night θα απενεργοποιηθεί οριστικά για να αποφευχθεί η πρόκληση παρεμβολών.
Το συγκρότημα κεραίας του τηλεσκοπίου θα αποτελείται από τέσσεριςΜη ισορροπημένες κεραίες 3 μέτρων. Θα τοποθετηθεί σε μια μηχανοκίνητη πλατφόρμα που ονομάζεται πικάπ. Η μετακίνηση της κεραίας θα βοηθήσει στη μέτρηση διαφορετικών συνδυασμών σημάτων. Τα συλλεγμένα δεδομένα LuSEE-Night θα μεταδοθούν σε έναν δορυφόρο επαναλήπτη που περιστρέφεται γύρω από τη Σελήνη και μεταδίδει δεδομένα στη Γη.
Το LuSEE-Night δεν είναι ένα τυπικό ραδιοτηλεσκόπιο.Μοιάζει περισσότερο με ραδιόφωνο. Θα λειτουργεί σαν ραδιόφωνο FM, λαμβάνοντας ραδιοφωνικά σήματα στην ίδια ζώνη συχνοτήτων. Το φασματόμετρο βρίσκεται στο κέντρο όλων. Όπως ένας ραδιοφωνικός δέκτης, μπορεί να απομονώσει ραδιοσυχνότητες και να μετατρέψει τα σήματα σε φάσματα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Anje Slosar, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, ένας από τους κατασκευαστές του τηλεσκοπίου LuSEE-Night
Τέσσερις κεραίες του τηλεσκοπίου LuSEE-Night. Εικόνα: Brookhaven National Laboratory
Αν και οι ερευνητές δεν είναι σίγουροι αν το τηλεσκόπιο θα μπορέσειαμέσως μετά την έναρξη της εργασίας, διορθώστε το ραδιοφωνικό σήμα από τις σκοτεινές εποχές. Σημειώνουν ότι είναι ένας πρωτοπόρος, ο οποίος θα πρέπει να δείξει τι είδους δεδομένα μπορούν, κατ' αρχήν, να λάβουν οι ερευνητές στην μακρινή πλευρά του φεγγαριού. Ίσως οι πραγματικές ανακαλύψεις να απαιτούν νέες αποστολές, αλλά το πρώτο βήμα είναι πάντα ένα από τα πιο δύσκολα.
Διαβάστε περισσότερα:
Ένας πλανήτης μπορεί να βάλει τέλος στη ζωή στη Γη: πώς οι επιστήμονες έχουν αποδείξει την ευθραυστότητα του ηλιακού συστήματος
Βρέθηκε θησαυρός που ήταν κρυμμένος κατά τη διάρκεια του πολέμου σχεδόν πριν από 1.000 χρόνια
Η φωτιά της Παναγίας των Παρισίων βοηθά τους επιστήμονες να αποκαλύψουν το μυστικό της κατασκευής του καθεδρικού ναού
Στο εξώφυλλο: η άλλη πλευρά του φεγγαριού. Εικόνα: NASA, Δημόσιος τομέας, μέσω Wikimedia Commons