Телескопы на Луне как будущее астрономии
Человечество изучает далёкие миры, не в силах пока добраться до них. Одни из лучших телескопов — это космические телескопы Хаббл и недавно запущенный Джеймс Уэбб. Они, среди прочего, разыскивают ближайшую к нам экзопланету, на которой мы могли бы жить. Ближе расположенные миры мы скоро сможем пощупать. Мы будем рыться на ледяных спутниках Юпитера в поисках подлёдной жизни. Есть идеи о колонизации Марса, создании на нём поселений, открытии туристических маршрутов и поиске следов жизни. К сожалению, задача эта выглядит чрезвычайно сложной. Поверхность Марса сухая, пыль — токсичная, лететь туда долго, а в процессе перелёта люди будут подвергаться воздействую губительной радиации.
Однако у нас практически под боком есть достаточно доступное небесное тело — Луна. По логике, она должна стать нашим порталом в более далёкий космос.
Последний раз человек был там 50 лет назад. Не пора ли вернуться? И если не для того, чтобы основать там большие колонии, то для того, чтобы оборудовать в кратерах на обратной, тёмной её стороне, телескопы.
Уже несколько стран планируют высадку на Луне. Кроме экзистенциальных вопросов вроде «одиноки ли мы во Вселенной» и «откуда взялась жизнь», их интересуют чисто коммерческие возможности — вроде добычи редких элементов, производства горючего, и промышленности, работающей в низкой гравитации, не говоря уже о туризме. Можно представить себе гольф в условиях гравитации в шесть раз меньшей, чем на Земле, или покатушки на багги по лунным пустыням — и всё это при отражённом свете взошедшей Земли.
Редкие элементы на Земле по определению ограничены в количестве, и при этом необходимы для современной электроники. Их запасы при текущем прогрессе закончатся за несколько сотен лет. Но их можно будет пополнять, добывая из лунного грунта. Её поверхность миллиарды лет бомбардировали метеориты, и по некоторым прикидкам, редкоземельных элементов на Луне в 10 000 раз больше, чем на Земле. У нас их добыча связана с выбросами токсичных побочных продуктов. На Луне от них можно будет избавляться, выбрасывая в космос.
Создание ракетного топлива на Луне позволит использовать наш спутник для запуска межпланетных зондов. Жидкий водород и кислород можно добывать изо льда, имеющегося в полярных кратерах, а низкая гравитация позволит экономить топливо. А в будущем лунные космические порты превратятся в ворота к межзвёздным перелётам.
Наиболее быструю отдачу вложения в Луну дадут науке. Отсутствие атмосферы позволит вести более точные наблюдения, а на поверхности спутника можно построить телескоп гораздо большего размера, чем в космосе. Их можно расположить в кратерах вблизи полюсов, в которые никогда не заглядывает Солнце. А на краях этих кратеров можно будет разместить солнечные панели — там Солнце наоборот, никогда не заходит.
Подобные телескопы, в числе прочего, могут помочь нам искать экзопланеты с признаками имеющейся на них жизни — биосигнатурами. Процессы фотосинтеза, жизнедеятельности бактерий и многоклеточных существ выделяют специфические соединения, которые можно найти, изучая спектр отражённого света.
Пока мы можем судить о жизни только на одном-единственном примере, а также по сведениям, собранным на небесных телах из нашей Солнечной системы. Судя по всему, жизнь — а, следовательно, и биосигнатуры — штука редкая. Возможно, даже, уникальная.
Но это не мешает нам искать признаки жизни на других планетах, и даже признаки разумной жизни. Только в нашей Галактике насчитываются миллиарды экзопланет, большинство из которых старше Земли. Если где-то могла появиться жизнь, есть вероятность, что она стала разумной и даже намного обогнала нас по техническому развитию. То, что мы пока не наблюдаем следов деятельности таких цивилизаций, называется парадоксом Ферми — о нём я делал целую обзорную серию статей.
Поиски братьев по разуму подразумевают исследование большого количества экзопланет на предмет наличия определённых элементов в их атмосферах –, но не только. А при текущем уровне развития технологий мы легче всего находим не скалистые планеты массой, сравнимой с земной, а газовых гигантов вроде Юпитера. Поскольку мы мало знаем о том, как может возникать и развиваться жизнь, нам нужно серьёзно повышать статистику известных экзопланет, сравнимых с Землёй.
Спектрографический анализ атмосфер экзопланет затруднён при наблюдении с Земли из-за ограничений, накладываемых нашей собственной атмосферой. Самый крупный из строящихся телескопов будет иметь диаметр зеркала в 39 метров, но и он не сможет заглянуть глубоко в инфракрасную часть спектра. Космические телескопы есть — к примеру, недавно запущенное чудо техники Джеймс Уэбб –, но их размеры оставляют желать лучшего. Мы не в состоянии запускать в космос слишком большие телескопы.
Луна предлагает решение этой проблемы. При налаженной системе доставки грузов на Луну и доходе с добычи редкоземельных элементов, в условиях низкой гравитации и отсутствия ветров мы можем строить там телескопы в сотни метров диаметром и располагать их в вечно тёмных кратерах. Есть даже прикидки с заделом на будущее, как построить на дне кратера телескоп диаметром в несколько километров.
Такие телескопы смогут изучать даже первые галактики и первые звёзды. А ещё с их помощью можно будет получать прямые изображения ближайших экзопланет, и разглядеть там океаны, а если повезёт — ночное освещение крупных годов.
Кроме этого, подобные телескопы помогут нам ответить и на другие вопросы науки. К примеру, мы сможем получше рассмотреть сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в центрах галактик, и, возможно, поймём наконец — сформировались ли сначала галактики, а потом их центральные сверхмассивные чёрные дыры, или наоборот? Как ни странно, мы до сих пор не знаем ответа на этот вопрос.
Чёрная дыра может сформироваться в результате схлопывания массивного облака газа, а затем собрать вокруг себя материю и запустить процесс звёздообразования. Или наоборот — в существующей галактике большое количество плотно упакованных в центре звёзд может слиться и превратиться в чёрную дыру.
Достаточно большие телескопы помогут нам заглянуть в самое начало времён, когда только закончились тёмные века и начали появляться первые звёзды, свет которых провозгласил начало новой космической эры.
И лучше всего заглядывать в такую даль будет при помощи особого телескопа — радиотелескопа, работающего с волнами очень малой частоты, и способного таким образом распознавать облака водорода. Обратная сторона Луны отлично приспособлена для создания радиообсерватории малых частот.
Близко расположенные к нам облака водорода видны на частотах 1420 МГц. Но чем дальше в космос, тем сильнее сказывается красное смещение — длины волн увеличиваются, а частоты уменьшаются. Чтобы заглянуть во времена, когда галактик ещё не существовало, нам нужно искать излучение с частотой 30 МГц. Но волны меньше определённой частоты просто рассеиваются ионосферой Земли. А на обратной стороне Луны такой проблемы не будет. И мы сможем построить карту космоса с самых ранних времён.
На Земле мы уже составили карту реликтового излучения — остаточного излучения с начала того периода, когда Вселенная вновь стала прозрачной для фотонов. Но эта карта всё равно недостаточно детальна, у неё не такое большое разрешение. Рассмотреть детали можно будет при помощи гораздо больших телескопов, работающих без помех типа атмосферы или ионосферы.
Единственный способ увеличить точность данных, собираемых для космологии — это получить больше информации. Мы будем изучать не только миллиарды различных галактик, но и ещё большее количество облаков водорода — строительных блоков, из которых появлялись эти галактики. Переход к изучению тёмных веков и концентрация на сигналах низкой частоты станет гигантским шагом вперёд для космологии.
Согласно современные представлениям, инфляция Вселенной происходила в первые 10–36 секунд. После этого всё появившееся пространство заполнилось частицами и античастицами, появлявшимися и исчезавшими за неизмеримо короткое время — квантовой пеной вакуума. Эта пена являлась энергией вакуума — движущей силой инфляции. Эта фаза тоже закончилась достаточно быстро: пространство расширялось, материя остывала, но изначальные события оставили свой след, став семенами будущих масштабных структур Вселенной. И когда инфляция закончилась, началась эра космоса.
История вроде бы убедительная, вот только доказательств её у нас маловато. А для их сбора необходимо зондировать тёмные века Вселенной — её неисследованную территорию. В это время ещё не было никаких звёзд, и единственными структурами были облака газа — водорода и немного гелия. И подобные структуры, информация о которых передаётся к нам по волнам очень малой частоты, смогут разглядеть радиотелескопы, расположенные на обратной стороне Луны. А это, в свою очередь, поможет нам разгадать загадку инфляции.
Но поскольку частота волн крайне мала, нам нужно значительно увеличить чувствительность наших инструментов. Атомы водорода состоят из одного электрона, находящегося на орбите одного протона. Излучение облаков водорода состоит из фотонов, появляющихся в тот момент, когда электроны меняют направление своего спина из-за столкновений с соседними атомами. В исходном положении — когда электрон и протон выровнены — энергетический сигнал водорода более низкий. Когда электрон сталкивается с фотоном, его спин превращается в противоположный, и радиочастота увеличивается. Отыскивая облака с более низкой исходной частотой, мы можем обнаружить тень отдалённого облака водорода на фоне стандартного реликтового излучения. В общем, изучение чрезвычайно слабых теней, отпечатанных на радиочастотном небе с древних времен, можно проводить только на очень низких радиочастотах. И телескоп на обратной стороне Луны будет лучшим вариантом для достижения этой цели.
Потенциал открытий велик — мы сможем «видеть» в инфракрасном, оптическом и даже других диапазонах. Однако пока возможности лунных телескопов не рассматриваются должным образом. Пока что очевидно, что проект по созданию отдельного гигантского телескопа будет слишком накладным, и для покрытия стоимости лунной астрономии необходимо развивать этот вопрос комплексно — через создание лунных поселений. Добыча полезных ископаемых и туризм в рамках лунной инфраструктуры откроет новые возможности и для науки. Тогда описанные телескопы будут лишь небольшой частью этого крупного проекта.
В награду мы получим продвижение планетологии, глубокое понимание вопроса происхождения луны. Астрономы смогут получать прямые изображения далёких экзопланет и самых первых звёзд. Новый рубеж науки и всего человечества поможет учёным зондировать тёмные века Вселенной, словно геологам, изучающим всё более глубокие породы на Земле. Аналогами уникальных минералов и окаменелостей в космосе станут облака водорода, из которых формировались галактики.
Включать эти научные миссии в планирование лунного поселения необходимо на самых ранних стадиях. Интеграция научных проектов в коммерческие предприятия — давно и прочно зарекомендовавшая себя методика. Несмотря на то, что горизонт планирования подобных проектов растягивается на десятилетия, начинать строить эти планы необходимо уже сейчас.
Удалённые планеты, пригодные для жизни или уже поспособствовавшие её зарождению. Происхождение галактик, нашей планеты и жизни на ней. Заря эры звёзд и конец тёмных веков. Появление и эволюция сверхмассивных чёрных дыр. Всё это и многое другое мы сможем увидеть в гигантские телескопы следующего поколения, расположившиеся в кратерах обратной стороне Луны.
Мы сможем получить ответы на самые фундаментальные экзистенциальные вопросы — откуда мы взялись? Одиноки ли мы во Вселенной? Новая эра научных наблюдений позволит нам сделать беспрецедентные открытия, заглянув на самый край Вселенной с обратной стороны Луны.
