1972 metų balandį Mėnulyje lankėsi penktoji pilotuojama misija – „Apollo 16“. Misijos metu astronautai įrengė ir panaudojo Tolimojo ultravioleto kamerą/spektrografą. Nuo tada teleskopų Mėnulyje neįrengta. Bet dabar, artėjant žmonių sugrįžimui į palydovą ir kaistant kosminėms lenktynėms tarp JAV ir Kinijos, grįžta kalbos ir apie observatorijų įrengimą tenai. Kam to reikia?
1972 metų balandį Mėnulyje lankėsi penktoji pilotuojama misija – „Apollo 16“. Greta kitų uždavinių, tokių kaip pirmieji Mėnulio aukštumų žvalgymai, gausios palydovo paviršiaus nuotraukos iš orbitos ir įvairių uolienų mėginių pargabenimas, misijos metu astronautai įrengė ir panaudojo Tolimojo ultravioleto kamerą/spektrografą. Tai buvo pirmas kartas, kai astronominiai teleskopiniai stebėjimai atlikti iš kito dangaus kūno paviršiaus, nei Žemė. Tris dienas veikęs teleskopas akivaizdžiai įrodė, kad stebėjimai iš vietų, kurių nedengia Žemės atmosfera, gali atskleisti daug platesnį kosmoso vaizdą, nei vien antžeminių teleskopų duodama informacija.
Nuo tada teleskopų Mėnulyje neįrengta, didele dalimi tiesiog todėl, kad greitai nutrūko žmonių skrydžiai ir apskritai susidomėjimas Mėnulio tyrimais. Bet dabar, artėjant žmonių sugrįžimui į palydovą ir kaistant kosminėms lenktynėms tarp JAV ir Kinijos, grįžta kalbos ir apie observatorijų įrengimą tenai. Kam to reikia? Kuo observatorijos Mėnulyje būtų pranašesnės už kosmines arba žemiškas? Ir kokius teleskopus ten geriausia įrengti bei kuriose vietose? Kviečiu susipažinti žemiau.
Teleskopas Mėnulio krateryje. Dailininko vizualizacija. Šaltinis: Vladimir Vustyansky, NASA
Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, kviečiu prie jų prisijungti.
Ultravioletinis teleskopas Mėnulyje nebuvo pirmas bandymas stebėti kosmosą ne iš Žemės. Pirmieji stebėjimai iš teleskopų, pakylančių virš didžiosios atmosferos dalies, atlikti dar 1946 m., 1962 m. į orbitą išskrido pirmasis dedikuotas UV teleskopas, skirtas Saulės stebėjimams, 1968 m. – bendrai astronomijai. Taigi siųsdami teleskopą į Mėnulį, mokslininkai ir astronautai jau neblogai žinojo pagrindinius tokios sistemos privalumus, lyginant su antžeminiais teleskopais. Tiek kosmose, tiek Mėnulyje įrengtam teleskopui netrukdo Žemės atmosfera. Ji sugeria beveik visą infraraudonąją, didelę dalį mikrobangų bei visą ultravioletinę, rentgeno ir gama spinduliuotę, todėl antžeminiai astronominiai stebėjimai praktiškai yra apriboti regimaisiais spinduliais, trupučiu infraraudonųjų ir specifiniais langais radijo ruože. Tiesa, pastariesiems trukdo žmonių veikla – įvairiausi mūsų prietaisai, įskaitant dirbtinius palydovus, komunikuoja radijo ryšiu, taigi radijo dangų užpildo “triukšmu”. Be to, atmosferos turbulencija iškreipia astronominius vaizdus ir sumenkina jų ryškumą. Pridėkime dar tai, kad Žemėje įrengtus teleskopus veikia klimato sąlygos, pavojų gali kelti ir žemės drebėjimai ar ugnikalnių išsiveržimai, o ir žmonių pramoninė veikla kartais sukelia didžiulę grėsmę, kaip dabar vyksta Čilėje… Akivaizdu, jog kliūčių ir iššūkių teleskopų veiklai Žemėje netrūksta.
Teleskopai kosmose daugelio šių kliūčių išvengia. Ten nėra nei atmosferos, nei gadinančio klimato ar žemės drebėjimų. Galima praktiškai visada vykdyti stebėjimus – teleskopo veikimas neapribotas giedromis naktimis. Iš kitos pusės, atsiranda ir naujų problemų: pavyzdžiui, sugedus teleskopui, pataisyti jį labai sudėtinga arba apskritai neįmanoma. „Hubble“ teleskopas po paleidimo buvo taisomas ir atnaujinamas penkis kartus, tačiau, pavyzdžiui, James Webb teleskopo taip pataisyti nebūtų įmanoma, nes jis skrieja daug toliau nuo Žemės – antrajame Saulės-Žemės Lagranžo taške – nei kada nors yra nuskridę žmonės. Apskritai nugabenti teleskopą į kosmosą yra didelis iššūkis, nes visas prietaisas turi tilpti į raketos-nešėjos krovinių skyrių. Dėl to, pavyzdžiui, James Webb teleskopas kilo labai delikačiai sulankstytas, o vėliau per mėnesį po truputį išskleidė segmentuotą pagrindinį ir ant strypų pakabintą antrinį veidrodžius bei nuo Saulės spindulių saugantį skydą. Webb’as yra didžiausias kosminis teleskopas – jo pagrindinio veidrodžio skersmuo siekia 6,5 metro. Tačiau nors ir didelis, šis skaičius toli gražu neprilygsta antžeminiams teleskopams. Didžiausi regimųjų bei infraraudonųjų spindulių teleskopai turi daugiau nei aštuonių metrų skersmens veidrodžius, o įskaitant sudarytus iš atskirų segmentų (kaip ir Webb’o) pagrindinių veidrodžių skersmenys viršija dešimt metrų. Radijo teleskopų imtuvai seniai peržengė šimto metrų ribą; garsusis Arecibo teleskopas turėjo 305 metrų pagrindinį „veidrodį“ (betoninį dubenį), o šiuo metu didžiausias yra penkių šimtų metrų skersmens FAST. Apie tokio dydžio kosminius teleskopus kol kas galime tik pasvajoti. Tiesa, kai kurios svajonės atrodo visai realistiškos, bet apie jas parašysiu kitą kartą.
James Webb teleskopo išsilankstymo schema, nuo visiškai supakuoto viršuje kairėje iki visiškai išskleisto apačioje kairėje. Žemės mastelis neišlaikytas :) Šaltinis: NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)
Observatorijos Mėnulyje siūlo labai paprastą kai kurių problemų sprendimą. Iš vienos pusės, Mėnulis suteikia tvirtą pagrindą po kojomis, kaip ir Žemė, todėl ten būtų galima statyti didžiulius teleskopus ir montuoti juos iš dalių paprasčiau, nei kosminėje erdvėje. Silpnesnė gravitacija ir tektonikos nebuvimas netgi leistų juos pastatyti dar didesnius, nei mūsų planetoje. Kai kurios Mėnulio vietovės apskritai neturi analogų Žemėje. Arti palydovo ašigalių esančių kraterių dugno niekada neapšviečia Saulė, todėl ten nuolat laikosi vos kelių dešimčių kelvinų temperatūra. Tai būtų puiki vieta įrengti infraraudonųjų spindulių teleskopą, kuriam nereikėtų sudėtingų šilumos skydų, kaip naudoja James Webb ir kiti. Be to, kaip tik prie tokių kraterių greičiausiai bus statomos pirmosios nuolat gyvenamos tyrimų stotys, nes jų dugne gali būti daug vandens ledo. Dar viena įdomi galimybė – skysto veidrodžio teleskopai. Juose pagrindinis elementas yra blizgaus skysto metalo, dažniausiai gyvsidabrio, dubuo, kuris sukamas pastoviu greičiu suformuoja beveik idealią parabolę – puikią formą teleskopo veidrodžiui. Žemėje skysti veidrodžiai negali būti didesnio nei aštuonių metrų skersmens, nes Žemės sukimosi kuriama Koriolio jėga juos iškreiptų pernelyg daug ir gaunamų vaizdų kokybė taptų netinkama astronominiams stebėjimams. Daug lėčiau besisukančiame Mėnulyje ši problema nekiltų; žinoma, veidrodį reikėtų įrengti sandarioje patalpoje, kad gyvsidabris neišgaruotų.
Dar didesnės naudos gautų radijo astronomija. Radijo teleskopo pagrindinis veidrodis, kaip puikiai matome iš Arecibo ar FAST nuotraukų, gali būti tiesiog betoninis dubuo. Nebūtinas net betonas – užtenka tiesiog daugmaž lygaus paviršiaus, kurio nelygumai mažesni už fiksuojamos bangos ilgį. Radijo teleskopai įprastai fiksuoja bangas nuo keleto centimetrų iki dešimčių metrų, taigi milimetriniai nelygumai jiems visiškai nesvarbūs. Mėnulyje tokį dubenį galima būtų suformuoti tiesiog kraterio dugne. Aišku, jį reikėtų apvalyti ir išlyginti, pakabinti detektorių ir įrengti kitokių prietaisų, tačiau rezultatas gali būti labai reikšmingas. Pagrindinis privalumas, lyginant su Žeme – jonosferos nebuvimas. Žemės jonosfera atspindi bangas, ilgesnes nei dešimt metrų (tai atitinka 30 megahercų dažnį), taigi šiam spektro ruožui astronomija kol kas lieka akla, nors bandymų įveikti jonosferos trukdžius yra.
Žemės atmosferos pralaidumas skirtingo ilgio bangoms. Praleidžiami regimieji spinduliai (vaivorykštė), dalis infraraudonųjų ties specifiniais bangos ilgiais, taip pat nemažas ruožas radijo bangų. Šaltinis: ESA/Hubble (F. Granato)
Žemės atmosferos pralaidumas skirtingo ilgio bangoms. Praleidžiami regimieji spinduliai (vaivorykštė), dalis infraraudonųjų ties specifiniais bangos ilgiais, taip pat nemažas ruožas radijo bangų. Šaltinis: ESA/Hubble (F. Granato)
Kita problema radijo astronomijai Žemėje – žmonijos signalai. Praktiškai visas radijo spektras nuo kelių kilohercų iki 300 gigahercų yra išskirstytas įvairiausioms komunikacijoms – radijo stotims, mobiliesiems telefonams, radiolokacijai, karinėms reikmėms ir taip toliau. Panašiai, kaip miestų apšvietimas kuria šviesinę taršą, trukdančią optinei astronomijai, taip ir radijo bangos sukuria taršą, kuri trukdo astronominiams stebėjimams. Radijo bangos į šalis sklinda lengviau, geriau atsispindi jonosferoje, todėl ir triukšmas santykinai stipresnis. Net ir Mėnulyje jis galėtų trukdyti – Žemė radijo ruože “šviestų” kaip kaleidoskopas. Tačiau tolimojoje Mėnulio pusėje Žemės niekada nesimato, taigi ten įrengtas teleskopas atvertų visiškai naujus radijo vaizdus.
Radijo dažnių paskirstymas JAV. Radijo astronomijai skirti tik keli siauri ruožai, o dalį jų tenka dalintis su mobiliojo ryšio ir panašiais signalais. Šaltinis: US Department of Commerce
Ką būtų galima stebėti su radijo teleskopais Mėnulyje? Vienas įdomiausių pasiūlymų yra pirmųjų Visatos žvaigždžių paieška ar net dar ankstyvesnių laikų tyrimai. Pirmosios žvaigždės greičiausiai susiformavo praėjus maždaug 100 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. 2018 metais užfiksuoti 78 megahercų dažnio signalai, ateinantys iš 180 milijonų metų amžiaus Visatos, kai pirmosios žvaigždės ėmė šildyti aplinkines dujas. Pagrindinis būdas stebėti tokias dujas – vandenilio atomų spektro linija, kurios ilgis yra 21 centimetras. Dėl Visatos plėtimosi ši spinduliuotė, pasiekianti mus iš Visatos tolybių, yra pailgėjusi: 180 milijonų metų amžiaus Visatos spinduliuotė siekia beveik keturis metrus, 100 milijonų – 6,5 metro, o jei norime pasiekti dar ankstesnius laikus, greitai atsimušame į jonosferos ribą. Taigi stebėjimai iš Mėnulio yra kone vienintelis šansas sužinoti, kokios dujos buvo formuojantis pirmosioms žvaigždėms. Šių metų pradžioje publikuota galimybių studija pateikė išvadą, kad su šiandieninėmis technologijomis įrengti tinkamą teleskopą Mėnulyje dar neįmanoma, bet per 10-20 metų galimybė atsiras.
Bendresnio pobūdžio Mėnulio kraterio radijoteleskopo idėja vystoma ne vienus metus. 2020-aisiais NASA skyrė pirmojo etapo finansavimą projekto detalizavimui, po metų projektas gavo ir antrojo etapo lėšų. Tiesa, 2023 metais trečiojo etapo jis nepasiekė ir kol kas neaišku, kada (ir ar) bus parinktas įgyvendinimui. Viena iš kliūčių, žinoma, yra įvairios įrangos gabenimas iš Žemės, taigi kiti mokslininkai svarsto galimybę bent dalį komponentų – pavyzdžiui, antenas – pagaminti iš Mėnulio išteklių. Tai leistų teleskopą daryti praktiškai neriboto dydžio, mat kai kurie radijo teleskopai (ar “masyvai”) gali būti įrengiami tiesiog plyname lauke, nereikia ir kraterio.
„FarView“ observatorijos koncepcija – antenos, nutiestos Mėnulio paviršiuje, sudaro labai ilgų bangų imtuvą. Šaltinis: Ronald Polidan
Kol kas Mėnulio teleskopų technologijos tėra planų ir nedidelių bandymų stadijoje. Bet neabejoju, kad ateityje, per keletą dešimtmečių, bent dalis šių vizijų taps realybe. Tuo tiki ir daugybė mokslininkų. Jie ne tik dirba prie projektų vystymo, bet ir stengiasi išsaugoti radijo tylą Mėnulio aplinkoje. Juk kuo toliau, tuo daugiau ten skraidys kosminių aparatų – ir autonominių, ir su žmonėmis. Bus įrengiamos tyrimų stotys, kurioms reikės komunikuoti su Žeme ir palydovais. Galbūt aplink Mėnulį bus įrengtas pozicionavimo palydovų tinklas, analogiškas GPS ar Galileo. Tam tikras radijo signalų kiekis greičiausiai neišvengiamas, tačiau, pavyzdžiui, galima patobulinti erdvėlaivių dizainą, kad jie neskleistų radijo triukšmo; apie šią problemą gamintojai šiandien dažnai net nežino. Apskritai dar 1971 metais priimtas tarptautinis susitarimas apie tolimosios Mėnulio pusės apsaugą nuo radijo triukšmo; deja, užtikrinti jo nuostatų laikymosi praktiškai neįmanoma. Šiuo metu grupė mokslininkų siekia, kad Jungtinės tautos paskelbtų dalį tolimosios Mėnulio pusės išskirtine saugoma zona, bet, kaip gerai žinome, JT pritarimo sulaukti sudėtinga, o dar sunkiau tikėtis, kad jo bus laikomasi. Nepaisant to, vien faktas, kad apie šią sritį galvoja, nuteikia optimistiškai: radijo teleskopų (o gal ir kitokių stebėjimų prietaisų) Mėnulyje galime sulaukti dar šiame amžiuje.
