Lunar krater radioteleskop:Oplyser den kosmiske mørke middelalder

Efter mange års udvikling, projektet Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) er blevet tildelt $500, 000 til støtte for yderligere arbejde, når det går ind i fase II af NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC) program. Selvom det endnu ikke er en NASA-mission, LCRT beskriver et missionskoncept, der kunne transformere menneskehedens syn på kosmos.

LCRT's primære mål ville være at måle de langbølgede radiobølger genereret af den kosmiske mørke middelalder - en periode, der varede i et par hundrede millioner år efter Big Bang, men før de første stjerner blinkede ind i eksistensen. Kosmologer ved lidt om denne periode, men kom svarene på nogle af videnskabens største mysterier kan være låst i de langbølgelængde radioemissioner genereret af den gas, der ville have fyldt universet i den tid.

"Selvom der ingen stjerner var, der var rigeligt med brint under universets mørke middelalder - brint, der til sidst ville tjene som råmateriale til de første stjerner, " sagde Joseph Lazio, radioastronom ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien og medlem af LCRT-teamet. "Med et tilstrækkeligt stort radioteleskop væk fra Jorden, vi kunne spore de processer, der ville føre til dannelsen af ​​de første stjerner, måske endda finde spor til det mørke stofs natur."

Radioteleskoper på Jorden kan ikke sondere denne mystiske periode, fordi de langbølgede radiobølger fra dengang reflekteres af et lag af ioner og elektroner i toppen af ​​vores atmosfære, et område kaldet ionosfæren. Tilfældige radioemissioner fra vores støjende civilisation kan også forstyrre radioastronomi, overdøver de svageste signaler.

Men på Månens anden side, der er ingen atmosfære til at afspejle disse signaler, og Månen selv ville blokere Jordens radiosnak. Månens fjernside kunne være den bedste ejendom til at udføre hidtil usete undersøgelser af det tidlige univers.

"Radioteleskoper på Jorden kan ikke se kosmiske radiobølger på omkring 10 meter eller længere på grund af vores ionosfære, så der er en hel region af universet, som vi simpelthen ikke kan se, " sagde Saptarshi Bandyopadhyay, en robotteknolog ved JPL og den ledende forsker på LCRT-projektet. "Men tidligere ideer om at bygge en radioantenne på Månen har været meget ressourcekrævende og komplicerede, så vi var tvunget til at finde på noget andet."

Bygning af teleskoper med robotter

At være følsom over for lange radiobølgelængder, LCRT skulle være enorm. Ideen er at skabe en antenne over en halv mil (1 kilometer) bred i et krater over 2 miles (3 kilometer) bredt. De største enkelt-parabol radioteleskoper på Jorden - som 1, 600 fod (500 meter) fem hundrede meter Aperture Spherical Telescope (FAST) i Kina og den nu ude af drift 1, 000 fod brede (305 meter brede) Arecibo Observatory i Puerto Rico - blev bygget inde i naturlige skållignende fordybninger i landskabet for at give en støttestruktur.

Denne klasse af radioteleskoper bruger tusindvis af reflekterende paneler ophængt inde i fordybningen for at gøre hele skålens overflade reflekterende for radiobølger. Modtageren hænger derefter via et system af kabler i et brændpunkt over parabolen, forankret af tårne ​​ved fadets omkreds, at måle radiobølgerne, der preller af den buede overflade nedenfor. Men på trods af dens størrelse og kompleksitet, selv FAST er ikke følsom over for radiobølgelængder længere end omkring 14 fod (4,3 meter).

Med sit team af ingeniører, robotister, og forskere ved JPL, Bandyopadhyay kondenserede denne klasse af radioteleskoper ned til sin mest basale form. Deres koncept eliminerer behovet for at transportere uoverkommeligt tungt materiale til Månen og bruger robotter til at automatisere byggeprocessen. I stedet for at bruge tusindvis af reflekterende paneler til at fokusere indkommende radiobølger, LCRT'en ville være lavet af tyndt trådnet i midten af ​​krateret. Et rumfartøj ville levere nettet, og en separat lander ville deponere DuAxel-rovere for at bygge parabolen over flere dage eller uger.

DuAxel, et robotkoncept under udvikling hos JPL, er sammensat af to enkeltakslede rovere (kaldet Axel), der kan kobles fra hinanden, men forbliver forbundet via en tøjring. Den ene halvdel ville fungere som et anker ved kanten af ​​krateret, mens den anden rappeler ned for at udføre bygningen.

"DuAxel løser mange af de problemer, der er forbundet med at ophænge en så stor antenne inde i et månekrater, " sagde Patrick Mcgarey, også en robotteknolog hos JPL og et teammedlem i LCRT- og DuAxel-projekterne. "Individuelle Axel-rovere kan køre ind i krateret, mens de er tøjret, forbinde til ledningerne, påføre spænding, og løft ledningerne for at ophænge antennen."

Identifikation af udfordringer

For at teamet kan tage projektet til næste niveau, de vil bruge NIAC fase II-midler til at forfine teleskopets muligheder og de forskellige missionstilgange, mens de identificerer udfordringerne undervejs.

En af holdets største udfordringer i denne fase er designet af trådnettet. For at bevare sin parabolske form og præcise afstand mellem ledningerne, nettet skal være både stærkt og fleksibelt, men alligevel let nok til at blive transporteret. Nettet skal også kunne modstå de vilde temperaturændringer på Månens overflade – fra så lavt som minus 280 grader Fahrenheit (minus 173 grader Celsius) til så højt som 260 grader Fahrenheit (127 grader Celsius) – uden at vride sig eller fejle.

En anden udfordring er at identificere, om DuAxel rovere skal være fuldautomatiske eller involvere en menneskelig operatør i beslutningsprocessen. Kan konstruktionen DuAxels også suppleres med andre konstruktionsteknikker? Affyring af harpuner ind i månens overflade, for eksempel, kan bedre forankre LCRT's mesh, kræver færre robotter.

Også, mens månens fjernside er "radiostille" for nu, det kan ændre sig i fremtiden. Kinas rumagentur har i øjeblikket en mission, der udforsker månens fjerne side, trods alt, og yderligere udvikling af månens overflade kan påvirke mulige radioastronomiprojekter.

I de næste to år, LCRT-teamet vil også arbejde på at identificere andre udfordringer og spørgsmål. Skulle de få succes, de kan blive udvalgt til videreudvikling, en iterativ proces, der inspirerer Bandyopadhyay.

"Udviklingen af ​​dette koncept kan give nogle betydelige gennembrud undervejs, især til implementeringsteknologier og brugen af ​​robotter til at bygge gigantiske strukturer fra Jorden, " sagde han. "Jeg er stolt af at arbejde med dette mangfoldige team af eksperter, som inspirerer verden til at tænke på store ideer, der kan gøre banebrydende opdagelser om det univers, vi lever i."