فضاپیمای کوچک CosmoCube برای شنیدن پژواک جهان قبل از شکل‌گیری ستارگان آماده می‌شود

این فضاپیما که در بریتانیا توسعه یافته، CosmoCube نام دارد. یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به رهبری دانشگاه کمبریج قصد دارد آن را به دور ماه بفرستد، جایی که سمت دور ماه می‌تواند از تداخل رادیویی زمین جلوگیری کند. در این محیط غیرمعمول ساکت، CosmoCube به دنبال سیگنالی به طرز باورنکردنی ضعیف خواهد بود که از جهان اولیه به جا مانده است.

گوش دادن به سیگنالی از قبل از اولین ستارگان

دانشمندان این سیگنال را خط 21 سانتی‌متری می‌نامند. این سیگنال از اتم‌های هیدروژن که در دوره بین درخشش باقی‌مانده از بیگ بنگ و سپیده‌دم کیهانی وجود داشتند، سرچشمه می‌گیرد، زمانی که همجوشی هسته‌ای در اولین ستارگان روشن شد.

هیچ‌کس تاکنون این فصل از تاریخ کیهانی را به طور مستقیم مشاهده نکرده است.

سیگنالی که CosmoCube به دنبال آن خواهد بود بیش از 13.5 میلیارد سال پیش منشأ گرفته است، اما تشخیص آن از زمین بسیار دشوار است. یونوسفر سیاره ما از رسیدن فرکانس‌های رادیویی مربوطه به رصدخانه‌های زمینی جلوگیری می‌کند، در حالی که پخش FM، ماهواره‌ها و مخابرات تداخل اضافی ایجاد می‌کنند که می‌تواند سیگنال کیهانی ضعیف را تحت الشعاع قرار دهد.

ماه راه حلی طبیعی ارائه می‌دهد.

هنگامی که CosmoCube از پشت ماه عبور می‌کند، جسم ماه به مدت حدود 40 دقیقه در هر مدار دو ساعته، نویز رادیویی زمین را مسدود می‌کند. محققان امیدوارند در طول مأموریت دو ساله فضاپیما، حدود 1000 ساعت داده را از یکی از آخرین دوره‌های عمدتاً کاوش‌نشده در جهان جمع‌آوری کنند.

این اندازه‌گیری‌ها می‌تواند به توضیح چگونگی تغییر جهان از مکانی تاریک و نسبتاً خالی به جهان غنی از ستارگان، کهکشان‌ها و سایر ساختارها کمک کند.

این پروژه از سازمان فضایی بریتانیا بودجه دریافت کرده است و محققان امیدوارند CosmoCube در عرض پنج سال آینده پرتاب شود. جزئیات این مأموریت در Nature Astronomy منتشر شده است.

جستجوی تأثیر اولیه ماده تاریک

CosmoCube برای بررسی چیزی فراتر از زمان قبل از اولین ستارگان طراحی شده است. محققان همچنین امیدوارند مشاهدات آن نور بیشتری را در مورد ماده تاریک و تأثیر آن بر شکل‌گیری اولین ساختارهای کیهانی بریزد.

ماده تاریک را نمی‌توان مستقیماً مشاهده کرد، اما اثرات گرانشی آن برای توضیح چگونگی انسجام کهکشان‌ها و سایر ساختارهای بزرگ ضروری است.

«این انتشار از هیدروژن پس از بیگ بنگ، اما قبل از اولین ستارگان، امیدوار است به ما کمک کند تا نقش ماده تاریک را در جهان اولیه درک کنیم، اینکه چگونه برای جمع کردن هیدروژن به اولین ستارگان و کهکشان‌ها کار می‌کرد»، پروفسور الوی دی لرا آسدو از آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، نویسنده اصلی این تحقیق، گفت.

برای رسیدن به این دوره باستانی، CosmoCube فرکانس‌های رادیویی بین 10 تا 50 مگاهرتز را مشاهده می‌کند. این فرکانس‌ها عمدتاً برای تلسکوپ‌هایی که از زمین کار می‌کنند غیرقابل دسترس هستند، که ماه را به مکانی ارزشمند برای این آزمایش تبدیل می‌کند.

«هیچ جای دیگری وجود ندارد که بتوانید نوع محافظتی را که برای تشخیص چنین سیگنال ضعیفی نیاز دارید، دریافت کنید، در حالی که در عین حال به کل فضا نگاه می‌کنید»، دی لرا آسدو که با موسسه کاولی کیهان‌شناسی نیز همکاری دارد، گفت. «سمت دور ماه واقعاً تنها گزینه است: این مشکل را به طور همزمان حل می‌کند و پنجره‌ای واضح به جهان اولیه باز می‌کند.»

تبدیل ماه به سپر رادیویی

پس از رسیدن به مدار ماه، CosmoCube یک آنتن رادیویی بلند و سبک را مستقر می‌کند. هنگامی که فضاپیما از پشت ماه عبور می‌کند، آن آنتن به دنبال سیگنال هیدروژن 21 سانتی‌متری از جهان اولیه خواهد بود در حالی که سطح ماه تداخل از زمین را مسدود می‌کند.

تشخیص چنین سیگنال ضعیفی به دقت بالایی نیاز دارد. بنابراین CosmoCube به طور مداوم الکترونیک خود را با یک کالیبراتور «جابه‌جا شده دیک» نظارت و تنظیم می‌کند. این سیستم به طور متناوب بین مشاهده آسمان و اندازه‌گیری چندین منبع مرجع داخلی تغییر می‌کند.

هدف از این فرآیند شناسایی و حذف تغییرات کوچک یا نویز الکترونیکی تولید شده توسط خود فضاپیما است که در غیر این صورت ممکن است با سیگنالی از اعماق تاریخ کیهانی اشتباه گرفته شود.

محققان پس از بازگشت مشاهدات به زمین، پردازش‌های اضافی را انجام خواهند داد. از تکنیک‌های آماری بیزی پیشرفته برای جدا کردن سیگنال مورد نظر از انتشار رادیویی پیش‌زمینه، به ویژه آنهایی که توسط کهکشان خود ما تولید می‌شوند، استفاده خواهد شد.

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و اندازه‌گیری‌های جمع‌آوری شده در طول مأموریت همچنین به محققان اجازه می‌دهد تا نحوه پاسخ آنتن CosmoCube به مناطق مختلف آسمان را بازسازی کنند. دانشمندان سپس می‌توانند برای تصحیح هرگونه اعوجاج باقی‌مانده که ممکن است با نتایج تداخل داشته باشد، اصلاح کنند.

«علاوه بر علم، آنچه مأموریت ما را منحصر به فرد می‌کند، اندازه آن است: ما در حال بررسی عمیق‌ترین قسمت‌های دوران تاریک هستیم که دیگران به آن دسترسی ندارند، اما با یک پلتفرم جمع و جور و نسبتاً کم‌هزینه»، دی لرا آسدو گفت.

یک ماهواره کوچک با مأموریتی بلندپروازانه

سکوت رادیویی موجود در پشت ماه ممکن است به طور فزاینده‌ای ارزشمند شود. ایالات متحده، هند و سایر کشورها همچنین در حال برنامه‌ریزی مأموریت‌هایی هستند که هدف آنها بهره‌برداری از محیط رادیویی غیرمعمول ساکت در سمت دور ماه است.

CosmoCube خود شامل یک رادیومتر کوچک بسیار یکپارچه است که فناوری‌های آنالوگ و دیجیتال مدرن را با استفاده از فناوری RF Systems on Chip (RFSoCs) ترکیب می‌کند.

پلتفرم فضاپیمای CosmoCube ('SSTL-21') توسط Surrey Space Technology Limited (SSTL)، شرکتی متخصص در ساخت ماهواره‌های کوچک، در بریتانیا در حال توسعه است.

توسعه ابزار در حال انجام است. نمونه‌های اولیه آزمایشگاهی ساخته شده‌اند، آزمایش‌های محیطی در حال انجام است و محققان با شرکای صنعتی همکاری می‌کنند. شرکای دانشگاهی بریتانیا شامل دانشگاه پورتسموث و STFC RAL Space است، در حالی که محققانی از کشورهای اتحادیه اروپا از جمله مالت نیز در این مشارکت حضور دارند.

تیم CosmoCube اخیراً در فراخوان ایده‌های مأموریت‌های سریع ESA شرکت کرد، با مأموریت پیشنهادی که هدف آن هزینه‌ای کمتر از 50 میلیون یورو است.

«CosmoCube قصد دارد علم بلندپروازانه‌ای را از یک ماهواره بسیار کوچک در یک محیط چالش‌برانگیز انجام دهد و برای انجام این کار به تکنیک‌های طراحی هوشمندانه نیاز دارد»، دکتر ویل گرینجر از STFC RAL Space گفت. «ما با شرکای پروژه همکاری کرده‌ایم تا مدل‌های نماینده‌ای از ماهواره و محموله آن ایجاد کنیم. اینها در تأسیسات ما آزمایش شده‌اند تا اطمینان حاصل شود که عملکرد حرارتی به محموله اجازه می‌دهد تا در شرایط دمایی مختلفی که در هنگام چرخش در اطراف ماه تجربه می‌کند، کار کند و اندازه‌گیری‌های حساس مورد نیاز را انجام دهد. در آینده، امیدواریم محموله کامل را برای آماده‌سازی یک مأموریت کامل توسعه دهیم.»

پنجره‌ای جدید به دوران تاریک کیهانی

در صورت موفقیت، CosmoCube می‌تواند نشان دهد که اکتشافات بزرگ در مورد جهان اولیه لزوماً به فضاپیماهای عظیم نیاز ندارند.

در عوض، یک ماهواره جمع و جور که در یکی از ساکت‌ترین محیط‌های رادیویی موجود در نزدیکی زمین قرار دارد، می‌تواند به دانشمندان دسترسی به دوره‌ای را بدهد که تاکنون فراتر از مشاهده مستقیم باقی مانده است.

«این می‌تواند یک داستان موفقیت بزرگ بریتانیا باشد: سخت‌افزار، نرم‌افزار، پیاده‌سازی و فناوری همگی در اینجا توسعه یافته‌اند و می‌تواند به ما در پاسخ به یکی از عمیق‌ترین سوالات جهان کمک کند»، دی لرا آسدو گفت.

این کار تا حدی توسط سازمان فضایی بریتانیا، بنیاد کاولی و شورای علم و فناوری (STFC)، بخشی از UK Research and Innovation (UKRI) حمایت شده است. الوئی دی لرا آسدو عضو Selwyn College، کمبریج است.