ОТ ПРОУЧВАНЕТО НА ТЪМНИТЕ ВЕКОВЕ НА ВСЕЛЕНАТА ДО ИЗГРАЖДАНЕТО НА ТЕЛЕСКОП НА ЛУНАТА, ОПРЕДЕЛЯНЕТО НА СВЕТЛИНАТА НА ПЪРВАТА ЗВЕЗДА

НЯМА ДА БЪДЕ ЛЕСНА ЗАДАЧА


. От Джей Бенет

10 април, 2017

https://www.popularmechanics.com/space/a25858/first-stars-dare-telescope-moon-nasa/?fbclid=IwAR2pgS3ujXXAh-l7AAF1cyzvgLv9g6ss8BoZc-U17uRKIZoKjlKMFkCLVuU


Джак Бърнс се интересува от тъмните векове на вселената. Неговият основен изследователски екип, състоящ се от 22 учени от CU, UCLA, NASA Goddard, щат Аризона и други, иска да знае как са започнали нещата. По-конкретно, те работят, за да изследват времето, когато са се родили първите звезди на Вселената, период, който е затъмнен в мистерия и тъмнина. И те ще го направят, като пуснат телескоп на Луната.

За да направи такова неуловимо откритие като светлината на първите звезди, Бърнс води редица проекти, които в крайна сметка ще позволят на астронавтите да управляват отдалечено пилоти на лунната повърхност от космическо местообитание, обикалящо около луната. С течение на времето тези системи можеха да доведат до изграждане на радиотелескоп в далечната страна на луната и може би дори да проправи пътя за пилотирани полети до Марс и извън него. Но за Бърнс, който се интересува от сферите на пространството и времето, намиращи се далеч отвъд и далеч преди Млечния път, невероятните машини са средствата, а не краят.

"Инженерството е забавно. Технологията е забавна. Но за нас всичко е за науката ", казва ми Бърнс в Университета в Колорадо в Боулдър, където преподава и работи.

Началото на времето

През първите няколко секунди се случи много.

Веднага след Големия взрив Вселената е много по-малка, но бързо се разширява. След само 10 −43 секунди дойде епохата на Планк , когато температурите и наляганията бяха толкова високи, че четирите фундаментални сили на физиката не се различават един от друг и съществуват като една сила. Разделят се през епохата Quark (10 -12секунди),, най-ранните условията на вселената, че можем да се симулира в Големия адронен ускорител . След това настъпва адронната епоха , когато първите протони и неутрони се образуват от кварки, около 1 секунда след Големия взрив. На около 10 секунди Вселената влезе в Фотонната епоха, когато атомните ядра, електроните и фотоните се носеха свободно в плазма, макар че нещата все още бяха твърде горещи, за да се образуват стабилни атоми.

 

Времева линия на Вселената, като първите звезди са показани на около 400 милиона години след Големия взрив. Точната дата за първите звезди не е известна, но вероятно е по-близо до 100 или 200 милиона години след началото на времето. НАУЧЕН ЕКИП НА НАСА / WMAP

 

Нещата са останали повече или по-малко по този начин за около 380 000 години, до период, известен като " рекомбинация ". През това време по-ниските температури позволяват на електроните да се свързват с ядрата и да образуват стабилни атоми от неутрален водород и хелий. (Това се случи за първи път - терминът рекомбинация е погрешно название преди космологията на Големия взрив да стане водеща теория на астрофизиците.) Вселената стана прозрачна. За първи път фотоните на светлината биха могли да пътуват свободно през пространството, което астрономите наблюдават днес като космически микровълнов фон (CMB) .

 

Космическия микровълнов фон, измерен чрез Уилкинсън микровълнова анизотропна проба (WMAP). Изображението представлява най-старата светлина във Вселената, която се среща преди около 13.77 милиарда години. НАСА / WMAP

 

И все пак, въпреки това освобождаване на светлината, онова, което следваше, е това, което космолозите наричат ​​Тъмните векове. През следващите стотици милиони години, вселената беше сравнително спокойно море от неутрални атоми, най-вече водород, в който се смесваше хелий. Това продължаваше, докато достатъчно газ най-накрая се слее, за да предизвика огъня на ядрения синтез, образувайки първите ни звезди.

РЕКЛАМА - ПРОДЪЛЖИ ЧЕТЕНЕ ПО-ДОЛУ

Но никой не знае точно кога се е случило това.

Оценките за първите звезди варират от около 100 милиона години до 400 милиона години след Големия взрив. Част от проблема е, че по време на тъмните векове единственото емитирано електромагнитно излъчване идва от неутрален водород и има дължина на вълната около 21 cm и честота от около 1400 MHz - известна като водородната линия или 21-сантиметровата линия. Тази невероятно стара светлина пътува през разширяващата се вселена повече от 13 милиарда години, като разтяга дължината на вълната от 21 см до между 5 и 10 метра и намалява нейната честота от 1400 до около 40 MHz. Светлината, която беше пусната в тъмните векове като микровълни, бе превърната в радио вълни до момента, в който достигне до нашите телескопи днес.

 

НАБЛЮДАВАНЕТО НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНОТО ИЗЛЪЧВАНЕ НА ТАЗИ ЧЕРВЕНА ПРЕМЕСТЕНА 21-САНТИМЕТРОВА ЛИНИЯ МОЖЕ ДА РАЗКРИЕ ОСВЕТЯВАНЕТО НА ПЪРВИТЕ ЗВЕЗДИ.

 

Проучването на тази червена преместена линия може да разкрие осветяването на първите звезди. Има само един проблем: Нашата планета произвежда прекалено много радиосмущения, за да получи точни показания, с твърде много неверни сигнали, които летят от цялата ни електроника. Но едно от най-безшумните места в цялата слънчева система е относително наблизо, в далечната страна на луната.

Тъмните векове Radio Explorer

 

Художник, който показва обсерваторията DARE. Термичният щит на научния инструмент обгражда антената (показана прозрачна за яснота). Антената се състои от двойка двойни кръстосани бикони. Под поддържащата структура на антената е разположена заземена повърхност, която подпомага формирането на насочеността на лъча. Под инструмента е автобусът на космическия кораб, включващ слънчевите панели и телеметричната система. ДЖАК БЪРНС / УНИВЕРСИТЕТ КОЛОРАДО В БОУЛДЪР

 

Тъмното време на Джак Бърнс Radio Explorer (DARE) е космически радиотелескоп, който в момента се разглежда от НАСА и е планиран за пускане в средата на 2023 година. Космическият кораб е специален за пускане в SpaceX Falcon 9, макар че НАСА официално ще избере ракетата на по-късен етап. Корабът ще бъде построен от Ball Aerospace и ще се установи в орбита около Луната в продължение на две години от науката, преди да се потопи в лунната повърхност.

 

Тъй като луната е запечатана с Земята, далечната му страна винаги е изправена пред пространство, а тялото на Луната действа като щит от какофонията на Земята на радиовълните. Това е идеалното място за DARE да търси древни звезди.

Звездите DARE търсят звезди от населението III . Те са невероятно масивни и нестабилни. Те тежат на 100 пъти по-голяма от масата на слънцето или повече, направени са почти изцяло от водород и хелий и имат кратък живот, изгаряйки чрез ядреното си гориво само за три милиона години, преди да станат свръхнови. Това обаче се основава на модели и симулации, тъй като никой никога не е наблюдавал звезда от населението III (въпреки че някои астрономи предполагат, че те все още могат да съществуват в джуджетата галактики днес).

"Това, което ще можем да направим, е да се закрепим за първи път, когато се включат първите звезди, които не знаем", казва Бърнс.

Всички елементи, по-тежки от водород и хелий, включително материята, която създаде всички нас, се образуваха в пещите за ядрен синтез при звездите. Най-тежките елементи, като платина, злато и уран, бяха слети от по-леки елементи в летливи космически събития като супернова.

Звездите от населението I, като нашето слънце, са най-младото поколение звезди, относително богати на метали, които вече са се образували в огнените експлозии на по-стари звезди. Звездите от населението II са по-стари, бедни на метали звезди, които обикновено се намират във външните райони на галактиките, където звездната формация е по-рядка и се произвеждат по-малко тежки елементи. Звездите от III-то население почти изобщо нямат метали и се образуват във време, когато самата вселена няма почти никакви тежки елементи. Убеждението е, че звездите на населението III трябва да са се запалили, разтопили горивото си и са излезли от свръхнова, за да изхвърлят тежки елементи във вселената преди да се формират звезди от населението II.

Разходка по водородната линия

 

Впечатлението на този художник показва Cosmos Redshift 7 (CR7), далечна галактика, открита с помощта на много големия телескоп на ESO. Това е една от най-ярките галактики, които все още се намират в ранната вселена и може да съдържа доказателства за звезди от населението III. ESO / M. KORNMESSE

 

Един от основните въпроси, на които DARE ще отговори, е: Дали ранната вселена е минно поле на бързо взривяващи се звезди от населението III за дълго време? Или пък звездите от населението III бързо генерират достатъчно тежки елементи за формиране и превземане на звездите от населението II?

„Наистина не знаем и наистина е важно да разберем какво се е случило, което е довело до звездите от второ поколение и след това най-накрая до нас“, казва Бърнс. Как се формират звезди от населението II зависи отчасти от това колко далеч са били изхвърлени тежките елементи, когато звездите от населението III станаха свръхнови.

"Това може да бъде времеви милиони години [между население III и II], може да са стотици милиони години, в зависимост от това как тези звезди експлодират", казва Йордания Мироча, астроном от Калифорнийския университет в Лос Анджелис, който разработва модели на ранната вселена за DARE -Прогнози, които космическият кораб ще опита да потвърди.

DARE ще наблюдава вселената, която е съществувала от около 80 милиона години до 400 милиона години след Големия взрив, като първите звезди вероятно се появяват около 100 или 200 милиона години. Космическият телескоп ще нулира тази водородна линия, червеното изместване на дължината на вълната от 21 cm на електромагнитното излъчване. Този сигнал се създава чрез промяна на енергийното състояние на неутрален водороден атом, наречен преход на спина или въртене. Името се отнася до изместване на ъгловия импулс на един електронен водороден атом от „завъртане нагоре” до „въртене надолу” или обратно.

Смята се, че звездите от населението III излъчват огромни количества ултравиолетова светлина. Когато фотоните от тази светлина ударят околния водороден газ от ранната вселена, те разрушават процеса на завъртане на електроните в тези водородни атоми. Температурата на газа се охлажда в резултат на процес, подобен на лазерното охлаждане . Тази промяна в температурата - нарушаването на водородната линия - е това, което DARE търси и какво ще позволи на учените да определят времето, когато първите звезди пламнаха.

Още едно нещо: Малко след тези първи звезди и вероятно веднага след първите свръхнови, Вселената роди първите черни дупки. Може да е "само милиони години между звездите и черните дупки", казва Бърнс, "може да бъде доста по-кратко от това." Когато черните дупки се оформят и когато започнат да извличат материал - образувайки масивен диск от спирални отломки, който се консумира веднага след като премине хоризонта на събитията, тогава те ще излъчват рентгенови лъчи и ще затоплят вселената. DARE ще може да открие и това смущение във водородната линия.

Що се отнася до зората на първите галактики, "това е нещо, което не знаем", казва Мироча. - Ние подозираме, че за известно време след първото поколение звезди повече от тези неща няма да приличат на обекти, които бихме нарекли задължително на галактики. Звездите може би са се превърнали в гравитационно свързани в клъстери рано, но когато тези звездни клъстери се развиват в това, което разпознаваме като галактики, все още е въпрос на дебат.

"Връщаме се към Луната"

 

Впечатление на един художник на един състезател, използващ синтетичен материал на Луната, за да изгради радиотелескоп. Астронавтите дистанционно ще контролират роверите от пространството, обикалящо около луната. ДЖО ЛАЦИ

 

Джак Бърнс е член на екипа на НАСА на президента Тръмп и в стремежа си да изучава космологията на тъмните векове той се оказва, че работи по проекти в други части на агенцията - например планетарна наука и роботика. Бърнс иска да използва дистанционно управляеми ровери, управлявани от астронавти в орбитално местообитание на лунното пространство, за да изгради радиотелескопски масив в далечната страна на луната. Местообитанието на астронавтите ще обикаля орбита в точката на Лагранж 2 (L2) на системата Земя-Луна - витаещо отвъд далечната страна на Луната. След като радио-телескопният масив се разгърне на лунната повърхност от екип от RC-ровери, той можеше да проучи древната вселена, където DARE напуска.

Ученият на НАСА Тери Фонг и Бърнс вече проведоха проучване през 2013 г., в което участваха астронавтите от Международната космическа станция, контролираща ровера в изследователския център на Амес в Силиконовата долина. На МКС, астронавтът на НАСА Крис Касиди контролира един от роверите на К10 в НАСА Еймс Роверспейп , открит изпитвателен пункт за роботика с размер на две футболни игрища. Той използва ровера, за да разположи ленти от композитен материал, които са подобни на това, което ще се използва за изграждане на радиотелескоп на Луната. Бърнс има и екип по телеботиката в CU, работещ по системите за машинно зрение, които един ден ще бъдат от решаващо значение за работа на повърхностни ровери от орбитални космически станции.

 

Петте точки на Лагранж около слънчево-земната система. Позициите на орбитите са приблизително същите, когато са скалирани в системата Земя-Луна. Постоянното местообитание на Луната технически щеше да обикаля около Земята заедно с Луната, точно зад нея. НАСА / WMAP

 

"Това, което искаме да направим, е да демонстрираме по-нататък на Луната, но да направим нещо, което е научно интересно, а именно да приложим нискочестотен радиотелескоп в далечната страна на луната", казва Бърнс. Такава мисия би могла да има многобройни ползи, като например предоставяне на изпитателен стенд за технология на телеботиката в космоса и възможност за разработване на лунен апарат за многократна употреба за събиране на повърхностни проби и пристанище с местообитанието - нещо, за което проявява интерес Blue Origin . В крайна сметка данните и проучванията от орбитален лунен хабитат ще ни помогнат да създадем подобно споразумение на Марс, където роботите могат да започнат да изграждат повърхностно местообитание, докато астронавтите контролират и наблюдават отгоре.

 

Ben Mellinkoff и Matthew Spydell, студенти в CU, които работят с професор Бърнс за разработване на системи за машинно зрение за бъдещи ровери на Луната. ДЖЕЙ БЕНЕТ

 

Като част от преходния екип на Тръмп, Бърнс насърчи НАСА да обмисли пускането на астронавти в полет на космическия старт (SLS) , отчасти защото ще ускори времето за поставяне на местообитание в орбита на Земята-Луна L2. Подобно местообитание ще пристигне с космическия кораб „Орион“, ще предложи място на астронавтите да живеят в продължение на месеци и ще осигурят платформа за астронавтите да контролират роверите на лунната повърхност. "Ако първата мисия на Орион с екипаж се проведе през 2019 г., ние сме готови да започнем това в началото на 2020 г.", казва Бърнс.

Неговият фокус върху мисиите с възможно най-високи научни резултати - тези, които комбинират космологичните изследвания с планетарната наука и развитието на космическата инфраструктура - е показателен за новите приоритети за НАСА, които се движат напред. От пускането на космически кораб за наблюдение на водородната линия в орбита до изстрелване на робот с телескоп на Луната, НАСА се опитва едновременно да постигне двете си основни цели - да научи как сме излезли от ранния хаос на Вселената и да разберем как ще се изкачат обратно в бездната и ще заселят други светове.

"Ние изпращаме съобщение до американската публика", казва Бърнс. - Пространството се върна.

  ПРОЧЕТЕТЕ NEXT Какво е тъмна материя?     Поп Мех Про Устната история на приземяването на Аполо 11     Поп Мех Про