Zgodnie z aktualną wiedzą o tempie rozszerzania się Wszechświata, jego wiek określamy na 13,8 mld lat. Okres kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu, a przed powstaniem pierwszych gwiazd i galaktyk naukowcy nazywają „ciemnymi wiekami”. Wszechświat faktycznie był wówczas zupełnie ciemny. Wypełniał go wodór, hel oraz – wciąż pozostająca w sferze hipotez – ciemna materia.

Jak dostrzec odległe galaktyki i najstarsze gwiazdy

Obserwowanie pierwszych galaktyk w paśmie widzialnym jest skomplikowane ze względu na ich słabe światło. Owszem, prowadzi się badania „kosmoarcheologiczne”, mierząc dojrzałość gwiazd najstarszych znanych galaktyk. Taką rolę pełni np. program Frontier Fields korzystający z teleskopu Hubble'a i zjawiska soczewkowania grawitacyjnego.

Ta technika obserwacyjna wykorzystuje gromady galaktyk położone między Ziemią a obserwowanym obiektem. Galaktyki te są tak masywne, że działają jak soczewki – zaginają i powiększają światło z bardziej odległych galaktyk za nimi. Pozwala to dostrzec obiekty zbyt ciemne do wykrycia dla teleskopów nie korzystających z takiego wspomagania.

Najstarsze galaktyki, powstałe zaledwie 370 mln lat po Wielkim Wybuchu, wykryto w gromadzie XLSSC 122 niespełna dwa lata temu. Tak przekonywał John P. Willis i jego koledzy w styczniowym wydaniu magazynu „Nature” z 2020 roku. Znajdujące się w tych gromadach gwiazdy można zaliczyć to tzw. Populacji III.

Do Populacji I astronomowie zaliczają stosunkowo młode gwiazdy Drogi Mlecznej, bogate w cięższe pierwiastki – takie jak nasze Słońce. Z kolei Populacja II to nazwa użyta do określenia starszych gwiazd Drogi Mlecznej o niskiej zawartości ciężkich pierwiastków.
To, co najtrudniej nam zobaczyć i zbadać, to właśnie gwiazdy Populacji III. Są bardzo stare, bo powstały przed uformowaniem się galaktyk, w „ciemnych wiekach”. Ich pierwotny skład odpowiada proporcji pierwiastków występujących tuż po Wielkim Wybuchu. Zbudowane więc były z wodoru, helu i niewielkich ilości litu.

Obserwatorium na ciemnej stronie Księżyca

Takie właśnie obiekty miałby obserwować nowy teleskop NASA. Zgodnie z koncepcją miałby on się znaleźć na ciemnej stronie Księżyca. Po latach prac nad samym pomysłem, jak takie urządzenie mogłoby zostać zbudowane i działać, projekt Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) przeszedł do II fazy projektowej. Na dalsze prace przeznaczono 500 tys. dolarów z programu NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).

Głównym zadaniem radioteleskopu miałoby być rejestrowanie długich fal radiowych mających swoje źródło właśnie w początkowym okresie istnienia Wszechświata. – Tak wcześnie po Wielkim Wybuchu nie było jeszcze gwiazd, ale było dużo wodoru, z którego później powstałyby te pierwsze gwiazdy. Mając wystarczająco duży radioteleskop poza Ziemią, moglibyśmy prześledzić procesy prowadzące do uformowania się pierwszych gwiazd, a może nawet znaleźć wskazówki co do natury ciemnej materii – mówi radioastronom Joseph Lazio z Jet Propulsion Laboratory w południowej Kalifornii.

Największe nawet radioteleskopy na Ziemi, jak niedziałający już 300-metrowy Arecibo w Portoryko czy nowy, 500-metrowy FAST w Chinach nie są zdolne do wykrycia takich zjawisk. Długie fale radiowe pochodzące z wczesnego okresu Wszechświata odbijają się od jonosfery, górnej warstwy naszej atmosfery. Nie pomaga też, że ludzka cywilizacja produkuje dużo sygnałów radiowych, utrudniających taki nasłuch.

Radioteleskop po ciemnej stronie Księżyca rozwiązuje oba te problemy. Księżyc nie ma atmosfery, a sygnały radiowe z Ziemi nie docierają na jego ciemną stronę.

Teleskop zbudują księżycowe roboty

Pojawiają się jednak inne problemy. Najpierw taki teleskop trzeba zbudować. Potem zapewnić mu warunki do pracy. Agencje kosmiczne coraz bardziej interesują się niewidoczną stroną Księżyca – dotyczy to zwłaszcza chińskiej CNSA. Jeśli będą tam wysyłać kolejne pojazdy kosmiczne, pojawi się szum radiowy utrudniający pracę teleskopu.

Koncepcja budowy LCRT zakłada wykorzystanie naturalnego krateru Księżyca. W nim miałoby zostać zbudowane urządzenie o powierzchni trzech kilometrów kwadratowych. Dostarczenie z Ziemi gotowego sprzętu i materiałów wykorzystywanych obecnie do konstruowania takich teleskopów byłoby jednak zbyt kosztowne. Dlatego NASA chce wykorzystać roboty. Zamiast budować ogromny talerz odbijający fale inżynierowie z Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) zdecydowali się uprościć konstrukcję.

Na materiał konstrukcyjny wybrano siatkę z cienkiego drutu. Roboty DuAxel, wymyślone na potrzeby przyszłych misji na Marsa, miałyby rozciągać tę siatkę w centrum krateru, niczym pająki snujące sieć. NASA zakłada, że zbudowanie całości zajęłoby od kilku dni do kilku tygodni.

Jak zaprojektować siatkę dla teleskopu

Roboty DuAxel składają się z dwóch części zwanych Axel, które mogą funkcjonować niezależnie pozostając w stałym połączeniu. Jedna połowa robota zaczepiałaby się niczym kotwica na krawędzi krateru, a druga opuszczałaby się w dół i rozciągała siatkę. Jak tłumaczy Patrick Mcgarey, robotyk z JPL biorący udział zarówno w projekcie LCRT jak i DuAxel, takie roboty są w stanie samodzielnie wjechać do krateru, podpiąć liny, a potem je naprężyć i podnieść antenę.

Wciąż jednak nie wiadomo, jak zaprojektować samą siatkę. Połączone druty muszą pozwolić zachować paraboliczny kształt, taki jak w ziemskich czaszach teleskopów. Odległości między kolejnymi drutami muszą być równe. Siatka powinna być jednocześnie i elastyczna, i wytrzymała. A do tego wystarczająco lekka, by dało się przewieźć ją na Księżyc. Musi też wytrzymywać wahania temperatur panujące na powierzchni: od minus 173 st. C. do 127 st. C. Nad takimi kwestiami zespół LCRT pracować będzie przez kolejne dwa lata.

Jeżeli prace rozwojowe II fazy przyniosą pozytywne rezultaty, koncepcja może dostać dodatkowe finansowanie i wyjść poza sferę teoretyczną. Autorzy projektu snują nawet wizje, że technologie opracowane dla potrzeb LCRT będzie można potem wykorzystywać na Ziemi. Możliwe, że księżycowe roboty będą mogły budować np. mosty czy kopuły budynków.

Źródła: Nature, NASA.