Телескопи для спостереження Місяця: неймовірні концепції чи реальність, що наближається?

Майже будь-які наземні астрономічні спостереження стикаються з неприємною реальністю: Земля має атмосферу, яка накладає на дослідження певні обмеження. Радіохвилі, довші за 10 м, відбиваються від іоносфери. Для більшої частини інфрачервоного випромінювання наша атмосфера теж непрозора. А оптичне зображення розмивається турбулентністю, і це погано впливає на роздільну здатність знімків. Ідеальне рішення всіх означених проблем - розміщення астрономічних інструментів там, де немає атмосфери. Наприклад, на Місяці. Його низька гравітація та відсутність вітрів дозволять побудувати більш громіздкі та ефективні конструкції, аніж на Землі чи на орбіті.

Ідея розмістити радіотелескоп на віддаленій стороні Місяця вже давно обговорюється. Справа в тому, що ця частина супутника, що завжди відвернена від Землі, є вільною від радіошуму, що виникає через електромагнітні випромінювання, які виробляються мобільними мережами, телебаченням, супутниковим інтернетом та різноманітними електричними пристроями. Хоча Сонце також випромінює значні радіохвилі, телескоп буде надійно захищений від його впливу протягом половини часу.

З 2020 року активно ведеться робота над проєктом радіотелескопа, який планується розташувати у кратері Місяця — Lunar Crater Radio Telescope (LCRT). Для реалізації цього проєкту обирається ударний кратер діаметром приблизно 3-5 км. Два робота-альпіністи DuAxel здійснять монтаж дротяної сітки діаметром 350 метрів на дні кратера і підвісять над нею приймач. Один із роботів залишиться на поверхні, виконуючи роль якоря, тоді як інший спуститься вниз для виконання основних завдань.

Телескоп на зворотному боці Місяця є справжньою мрією для астрономів. Спостереження в довгих радіохвилях могли б пролити світло на "темні віки" нашого Всесвіту — період, що тривав сотні мільйонів років після Великого Вибуху, коли ще не виникли ні зірки, ні галактики. Завдяки потужному радіотелескопу, астрофізики змогли б прослідкувати за їх формуванням і, можливо, навіть отримати підказки про природу темної матерії.

Як більш компактна та зручна альтернатива виступає автономний апарат LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Explorer Night system), запуск якого на зворотному боці Місяця заплановано на 2026 рік. LuSEE-Night є спільною ініціативою NASA та Міністерства енергетики США. Чотири триметрові монопольні антени будуть встановлені на верхній частині посадкового модуля Blue Ghost 2, розробленого приватною компанією Firefly Aerospace, що є американсько-українським підприємством. Поворотна платформа дозволить налаштовувати орієнтацію антен. Цей телескоп функціонуватиме на низьких частотах, а його основною метою стане вимірювання випромінювання в ранніх стадіях еволюції Всесвіту.

Вибір місця для розташування інфрачервоного телескопа вимагає особливої уваги. Для зменшення фонових шумів цей прилад повинен бути постійно охолодженим до дуже низьких температур. На щастя, на Місяці існують ділянки, які ніколи не піддаються впливу сонячного світла, зокрема кратер Шеклтон на південному полюсі. Хоча вал цього ударного кратера майже завжди освітлюється Сонцем, його внутрішня частина залишається у тіні, утворюючи так звану холодну пастку, де температура може опускатися до -183°С.

Французький астроном Жан-П'єр Мейяр останніми роками активно працює над створенням місячного інфрачервоного телескопа. Його ідея полягає в розробці інструменту під назвою ALLURE (Astronomical Large LUnar infraRed Explorer), який матиме 13-метрове сегментоване дзеркало. Завдяки розташуванню в постійно затіненому кратері, цей телескоп зможе функціонувати значно довше та ефективніше, ніж відомий James Webb, оскільки використовуватиме пасивне охолодження і матиме площу дзеркала вчетверо більшу. Основними напрямками його досліджень можуть стати аналіз екзопланет, вивчення далеких галактик та їх еволюційні процеси, а також дослідження найпотужніших енергетичних явищ у Всесвіті. Проте важливою перешкодою буде те, що телескоп зможе спостерігати лише половину небесної сфери.

Однією з основних переваг розміщення оптичних телескопів на Місяці є відсутність турбулентності в атмосфері, яка суттєво погіршує якість зображення у наземних телескопах. Для великих наземних телескопів ця проблема вирішується за допомогою складних систем адаптивної оптики, які здатні частково компенсувати спотворення зображення. На Місяці, де практично немає атмосфери, навіть невеликі телескопи здатні продемонструвати надзвичайну продуктивність.

Теоретична роздільна здатність телескопа визначається його діаметром: чим більший діаметр, тим дрібніші деталі можуть бути спостережені. Проте сучасна астрономія переважно використовує метод спостережень з наддовгою базою. Цей підхід передбачає збір світла за допомогою менших за розміром, але віддалених один від одного телескопів, з подальшою спеціалізованою обробкою даних, що імітує велику "штучну апертуру".

Наукова команда Центру космічних польотів імені Годдарда (NASA) розробила концепцію місячного оптичного інтерферометра з довгою базою, відомого як AeSI (Artemis-enabled Stellar Imager), який здатен створювати зображення в видимому та ультрафіолетовому спектрах. Фахівці зазначають, що будівництво такої системи можна почати з використання двох чи трьох компактних телескопів, розташованих на невеликій відстані один від одного. У майбутньому планується збільшення бази, а також розширення кількості та розміру оптичних компонентів. В умовах відсутності атмосферних спотворень ця концепція відкриває великі наукові перспективи, включаючи можливості для дослідження поверхонь зір, аналізу структури протопланетних дисків навколо молодих зірок, а також вивчення акреційних дисків навколо чорних дір.

Однією з найсерйозніших проблем є значні температурні коливання на Місяці. Один місячний день триває близько двох тижнів, протягом якого температура в освітлених сонцем зонах досягає приблизно +120°С. Ніч триває стільки ж часу, і в цей період температура падає нижче -170°С. Це свідчить про те, що інженерам необхідно розробити унікальні матеріали і технології для захисту обладнання від цих екстремальних умов.

Не менш важливе забезпечення джерел енергії. Частково це вирішать сонячні панелі, частково - ядерні реактори або пристрої типу РІТЕГ (радіоізотопний термоелектричний генератор). Останні не мають рухомих частин, не потребують обслуговування та можуть працювати десятиліттями.

Розташованим на зворотному боці Місяця обсерваторіям належить передавати дані на Землю для подальшої обробки науковцями. Відтак для підтримання зв'язку на орбіту слід вивести супутники-ретранслятори. Альтернатива космічному ретранслятору - масштабна система на кшталт мережі стільникового зв'язку, якою дані спершу передаватимуться на ближчий до нас бік Місяця, а вже звідти - на Землю.

Природні катаклізми можуть виявитися серйозним випробуванням. Місяць продовжує поступово охолоджуватися, що викликає його стискання, а коливання температури під час сходу і заходу Сонця, а також припливна взаємодія з нашою планетою, слугують додатковими факторами для сейсмічних активностей. Дослідження, проведені за допомогою сейсмографів, встановлених на поверхні, свідчать про те, що місячні землетруси можуть досягати 5,5 балів за шкалою Ріхтера. Це призводить до раптової нестабільності окремих ділянок поверхні.

Ще однією загрозою, що походить з космосу, є метеорити, які щорічно падають на Місяць — їх кількість складає близько ста, і маса кожного з них може досягати однієї тонни. Навіть мікрометеорити розміром всього кілька міліметрів здатні пошкодити чутливу апаратуру. У випадку зіткнення із Землею такі об'єкти повністю згоріли б в атмосфері, але на Місяці вони просто падають на поверхню, піднімаючи пил. Цей пил, сформований з місячного реголіту, має зовсім інші властивості, ніж м'які земні матеріали: він є надзвичайно гострим та абразивним, що може призвести до накопичення на відкритих частинах обладнання. Проникаючи в найменші щілини, він становить серйозну загрозу як для людей, так і для техніки, оскільки може пошкодити поверхню сонячних панелей, об'єктиви камер, дзеркала телескопів, а також застрягти у механізмах, перешкоджаючи їх нормальному функціонуванню.

Астрономічне обладнання безумовно потребує регулярного технічного обслуговування. На даний момент людство ще не наблизилося до ідеї колонізації Місяця, створення баз або постійного перебування групи астронавтів на його поверхні. Особливо це стосується зворотного боку Місяця, куди навіть під час піку програми Apollo не ступала нога жодної людини. Також ми дуже далеко від реалізації масштабних проектів, які дозволили б використати всі переваги розташування обсерваторій на його поверхні.

Проте, безліч сучасних космічних місій, які перебувають на стадії сміливих концепцій, здаються неймовірними. Втішна новина полягає в тому, що паралельно з програмою Artemis науковці та інженери активно займаються розробкою проектів різних місячних обсерваторій. Є велика ймовірність, що через два-три десятиліття ці ідеї можуть реалізуватися в фізичній формі.