Plusieurs agences spatiales enverront des missions sur la lune cette décennie et la suivante, avec des plans pour établir des infrastructures qui permettra de nombreux rendements. Cela comprend la Lunar Gateway et le camp de base d'Artemis de la NASA, la station de recherche Lunar (ILRS) et le Village de Moon de l'ESA. Avec autant d'agences spatiales et de sociétés spatiales commerciales axées sur l'exploration lunaire, il existe également de multiples plans pour établir des installations de recherche et des expériences scientifiques.
En particulier, la NASA, la Chine et l'ESA ont proposé de créer des expériences de radio-astronomie qui fonctionneraient de l'autre côté de la lune. Dans un article récent, une équipe internationale d'astronomes européens a proposé un interféromètre radio de longueur d'onde ultra-longue qui pourrait examiner les périodes cosmologiques connues sous le nom de Cosmic Dark Ages and Cosmic Dawn. Connu sous le nom de The Dark Ages Explorer (DEX), ce télescope pourrait fournir de nouvelles informations sur l'une des périodes les moins comprises de l'histoire de l'univers.
L'étude a été dirigée par Christiaan Brinkerink, ingénieur scientifique du Radboud Radio Lab (RRL) à l'Université Radboud Nijmegen. Il a été rejoint par des chercheurs du Pays-Bas Institute for Radio Astronomy (Astron), de l'Université de technologie d'Eindhoven, de l'Université de technologie de Delft (TU Delft), du Laboratory for Instrumentation and Research in Astrophysics (Lira), de l'institut astronomique de Kapteyn, de l'Institut Leiden pour Cosmology, de l'infraste d'astronomy, de l'institut Kavli Consortium (ERIC), et le European Space Research and Technology Center de l'ESA (ESTEC).
L'article décrivant leur concept est disponible sur le arxiv serveur préalable et est actuellement en cours d'examen pour publication dans Astronomie expérimentale.
Voir l'aube cosmique
Selon les modèles cosmologiques actuels, l'univers précoce (vers 380 000 à 1 milliard d'années après le Big Bang) a été imprégné d'hydrogène neutre. Au cours de cette époque, connue sous le nom de «Cosmic Dark Ages», les seules sources de lumière dans l'univers étaient des photons libérés des premiers électrons et protons se réunissant pendant l'époque de recombinaison (environ 380 000 ans après le Big Bang) et ceux libérés par l'hydrogène à l'époque de la réionisation (environ 250 à 500 millions d'années après le Big Bang.)
Alors que les premiers sont visibles aujourd'hui comme fond micro-ondes cosmiques (CMB), les seconds ne sont visibles qu'aujourd'hui comme « lignée d'hydrogène » (alias la ligne de 21 cm). Cela fait référence aux photons libérés par l'hydrogène neutre car il a été réionisé par le rayonnement ultraviolet libéré par les premières étoiles et galaxies de l'univers. Cette période est connue des astronomes sous le nom de « Cosmic Dawn » (environ 50 millions à un milliard d'années après le Big Bang), et est considéré comme la dernière frontière de l'astronomie et de la cosmologie.
En raison des distances impliquées, la lumière de cette période est décalée en rouge au point qu'elle n'est visible que dans la bande de fréquence ultra-élevée (UHF) de la fenêtre micro-ondes. Jusqu'à présent, les astronomes ont eu un aperçu de ce qui se trouve derrière le voile des âges sombres cosmiques grâce à des instruments comme le télescope spatial James Webb (JWST). Cependant, comme Brinkerink l'a dit aujourd'hui par e-mail, il y a encore de nombreuses questions sans réponse sur cette période cosmologique:
« Nous avons un modèle fiducial pour la façon dont la formation de structure a progressé à partir du moment du CMB jusqu'à la formation des premières étoiles (avec la trumpage de la matière noire précipitée en refroidissant à travers le rayonnement de la matière baryonique), mais des incertitudes importantes restent à propos de la vitesse à laquelle cette formation de structure a progressé.
« L'observation du signal de l'hydrogène neutre (la ligne de 21 cm décalée en rouge) est essentiellement la seule façon dont nous devons étudier directement cette période. Avec les résultats de JWST montrant un nombre étonnamment grand de galaxies entièrement formées aux premières époques, il est probable que nous ne comprenons pas complètement la phase de formation de structure qui a précédé l'existence des premières étoiles. »
En particulier, les premières observations de Webb ont révélé un nombre surprenant de galaxies, qui étaient également plus brillantes que prévu. Les astronomes ont également noté que les « graines » des premiers trous noirs supermassives (SMBH) étaient plus importants que prévu. Ces résultats étaient en « tension » avec des modèles cosmologiques précédents, renforçant des recherches antérieures comme l'expérience pour détecter la signature globale de l'EOR (bords). Cette expérience a montré une caractéristique d'absorption dans le spectre global autour de 70 MHz (environ le double de la profondeur attendue), suggérant que nous ne comprenons pas complètement les processus actifs pendant l'aube cosmique.
La «tension» produite par ces résultats a inspiré de nouvelles théories sur la formation précoce de la galaxie et du SMBH. Il a également donné une incitation supplémentaire à créer des installations de nouvelle génération pour étudier plus profondément l'univers précoce. Le Dex vise à aborder ces mystères en effectuant des mesures du spectre du signal d'hydrogène neutre à travers une gamme de décalages vers le rouge. Initialement, cela couvrira la période de l'aube cosmique (décalage vers le rouge de Z = 28 à 14) et éventuellement les âges sombres (z = 50 à 28). Comme l'a expliqué Brinkerink:
« La gamme de décalage vers le rouge est divisée car ces gammes placent des exigences très différentes sur la taille de la réseau et la taille et le placement de l'antenne. Grâce à des mesures du spectre de puissance spatial en fonction du décalage vers le rouge, nous pouvons` `faire un film '' de l'évolution de l'univers précoce et voir le rôle de la matière noire dans le précipitation et l'accélération de ce processus.
« Dex générera en continu des instantanés de ciel (images) à de nombreuses fréquences à travers sa bande passante d'observation, qui sont intégrées au fil du temps (~ minutes par intégration) pour gérer le débit de données de sortie. De retour sur Terre, ces instantanés de ciel peuvent être placés dans un pipeline de traitement qui extrait les variations spatiales et spectrales et performantes pour éviter et / ou sous-traction (les deux peuvent être effectués avec ce produit de données). ».
Le côté éloigné de la lune a longtemps été considéré comme un site idéal pour les observatoires, y compris la radio, l'optique et d'autres types de télescopes. Ces installations seraient protégées de l'interférence radiofréquence (RFI) de la Terre, et la distorsion atmosphérique ne serait pas un facteur. Cependant, les défis d'ingénierie de la construction et du maintien d'un tel observatoire seraient considérables.
Entrez Dex
Leur étude s'appuie sur des travaux antérieurs menés par l'ESA. En 2020, l'ESA a créé l'équipe topique de l'observatoire lunaire astrrophysique (ALO TT) pour réaliser un tableau radio cosmologique lunaire de l'autre côté de la lune. Cette équipe comprend environ 60 chercheurs, ingénieurs et partenaires commerciaux des universités, des instituts et des entreprises d'Europe et au-delà. Ceci a été suivi d'une étude de l'installation de conception simultanée de l'ESA (CDF) intitulée «Évaluation d'un observatoire lunaire astrophysique de l'autre côté de la lune», qui a évalué la faisabilité d'un observatoire lunaire en utilisant les technologies actuelles avec un niveau de préparation technologique élevé (TRL).
Les résultats, ont déclaré Brinkerink, ont confirmé qu'un tel tableau serait possible avec la technologie disponible dans un avenir pas trop lointain:
« L'étude CDF réalisée par ESA avec nous en 2021 a montré que l'échelle à laquelle un réseau lunaire peut être réalisé avec la technologie existante ne se connectait pas encore à ce dont nous avons besoin pour produire une nouvelle science: un tableau 4×4 a été considéré comme faisable, mais pour la science dont nous avons besoin, au moins un tableau 32×32. ~ 200x200m, nous pointant dans le sens d'un plancher de cratère avec une surface relativement jeune (moins de cratères et de rochers présents).
L'étude s'est également concentrée sur la région polaire sud de la Lune, car c'est là que la NASA prévoit de mener des missions régulières dans le cadre du programme Artemis. Les services de relais de données seront également possibles dans cette région, car il sera en vue de la passerelle lunaire la plupart du temps. Les variations de température sont plus faibles pendant les cycles lunaires dans la région polaire, allant de hauts d'environ 54 ° C (130 ° F) à des bas de -203 ° C (-334 ° F), contre des hauts de 121 ° C (250 ° F) et des bas de -133 ° C (-208 ° F) près de l'équateur. Cela crée de plus grands défis d'ingénierie, bien que Brinkerink et ses collègues notent que les latitudes moyennes offrent une meilleure couverture du ciel et des ultraviolets.
Leur étude de conception a considéré de nombreux scénarios de puissance différents. La méthode classique, a-t-il dit, où l'alimentation électrique est générée à partir d'une installation centrale et distribuée à l'aide de câblage conducteur, représenterait jusqu'à 50% de la masse totale du système, ce qui le rend très coûteux à transporter et à déployer. Un tel système affecterait également le placement des antennes car il nécessiterait des centres de distribution d'énergie proches des antennes. Par conséquent, l'équipe a envisagé des alternatives, notamment la transmission de données radiofréquences de fibres optiques et de radiofréquence en espace libre.
Ils ont également considéré les systèmes distribués déployés à proximité des antennes, mais ont exclu cela car il créerait une source de RFI générée localement. De plus, l'équipe a identifié plusieurs développements technologiques nécessaires pour rendre Dex possible. En particulier, ils ont constaté que le budget de masse pour l'envoi des éléments nécessaires à la lune pouvait être abordé avec une structure à base de papier pour les éléments rayonnants. Comme l'a décrit Brinkerink:
« Ceux-ci permettent de se dérouler, de se dérouler ou de se gonfler pour être utilisés comme méthodes de déploiement. Les amplificateurs à faible bruit doivent être tolérants à la température en raison de leur placement exposé directement dans l'environnement lunaire. Même avec des mesures protectrices en place, la plage de température à laquelle ils seront exposés est encore plus grande que la plage de survie pour plus de solutions standard.
« En outre, nous avons besoin d'un système de déploiement de tableaux fiable et efficace qui s'assure que toutes les antennes sont placées dans un modèle prévisible, car tout écart par rapport aux positions d'antenne nominale entraînera une dégradation de la qualité de la sortie scientifique (sous la forme d'un mélange de mode spatial dans le spectre de puissance). »
En fin de compte, l'étude a déterminé que le nombre d'antennes nécessaires pour atteindre les principaux objectifs scientifiques de l'observatoire n'est pas encore possible. Néanmoins, Brinkerink et ses collègues soulignent comment il établit également une voie de développement technologique qui pourrait conduire à une expérience réaliste et précieuse au cours de la prochaine décennie. En attendant, le développement de ces technologies aura des applications dérivées ici sur Terre. Selon Brinkerink:
« (C) Les systèmes de rommunications sur les petits satellites bénéficieront de la technologie d'antenne basée sur des papier d'aluminium, et les récepteurs radio qui doivent fonctionner dans des environnements thermiques sévères pendant de longues périodes peuvent utiliser les implémentations développées pour Dex. Science. Dawn Tomography), qui peut nous aider à comprendre l'évolution des trous noirs supermassifs et le rôle de la rétroaction galactique précoce dans la croissance de la galaxie. «
