این فضاپیما به اندازه یک چمدان می توانست قبل از وجود ستاره ها، کیهان را بشنود

ماهواره‌ای که بزرگ‌تر از یک چمدان کوچک نباشد می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا یکی از دوره‌های ناشناخته در تاریخ کیهان را بررسی کنند: تقریبا 150 میلیون سال تاریکی قبل از شروع درخشش اولین ستاره‌های کیهان.

این فضاپیما که در انگلستان توسعه یافته، CosmoCube نام دارد. یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی دانشگاه کمبریج قصد دارد آن را به دور ماه بفرستد، جایی که سمت دور ماه می‌تواند مانع تداخل رادیویی از زمین شود. در آن محیط غیرمعمول ساکت، CosmoCube به سیگنال فوق‌العاده ضعیفی گوش می‌دهد که جهان اولیه پشت سر گذاشته است.

گوش دادن به سیگنالی از قبل از اولین ستاره ها

دانشمندان این سیگنال را خط 21 سانتی متری می نامند. این از اتم‌های هیدروژن می‌آید که در طول دوره بین درخشش پس از انفجار بزرگ و طلوع کیهانی، زمانی که همجوشی هسته‌ای در اولین ستاره‌ها روشن شد، وجود داشت.

هیچ کس مستقیما این فصل از تاریخ کیهانی را مشاهده نکرده است.

سیگنالی که CosmoCube به دنبال آن خواهد بود بیش از 13.5 میلیارد سال پیش سرچشمه 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 پخش‌های FM، ماهواره‌ها و مخابرات تداخل بیشتری ایجاد می‌کنند که می‌تواند سیگنال ضعیف کیهانی را تحت تأثیر قرار دهد.

هنگامی که CosmoCube از پشت ماه می گذرد، جسم ماه در طول هر گردش دو ساعته در مدار زمین، حدود 40 دقیقه از صدای رادیویی زمین جلوگیری می کند. در طول ماموریت دو ساله مورد انتظار فضاپیما، محققان امیدوارند بتوانند حدود 1000 ساعت مشاهدات را از یکی از آخرین دوره های کاملا ناشناخته در جهان جمع آوری کنند.

این اندازه‌گیری‌ها می‌تواند به توضیح چگونگی تغییر کیهان از یک مکان تاریک و نسبتا خالی به جهان غنی از ستاره‌ها، کهکشان‌ها و دیگر ساختارهایی که امروزه دیده می‌شوند کمک کند.

این پروژه از آژانس فضایی بریتانیا بودجه دریافت کرده است و محققان امیدوارند CosmoCube بتواند ظرف پنج سال آینده پرتاب شود. جزئیات این ماموریت در Nature Astronomy منتشر شده است.

CosmoCube برای بررسی بیشتر از زمان قبل از اولین ستاره ها طراحی شده است. محققان همچنین امیدوارند که مشاهدات آن بر ماده تاریک و تأثیر آن بر شکل‌گیری اولیه‌ترین ساختارهای کیهانی روشن شود.

ماده تاریک را نمی توان به طور مستقیم مشاهده کرد، اما اثرات گرانشی آن برای توضیح چگونگی نگه داشتن کهکشان ها و دیگر ساختارهای بزرگ در کنار هم بسیار مهم است.

پروفسور Eloy de Lera Acedo از آزمایشگاه کاوندیش کمبریج می گوید: "این انتشار از هیدروژن پس از انفجار بزرگ، اما قبل از اولین ستارگان، امیدواریم به ما اجازه دهد تا نقش ماده تاریک در جهان اولیه را درک کنیم، که چگونه هیدروژن را به اولین ستاره ها و کهکشان ها می کشاند."

برای رسیدن به این دوره باستانی، CosmoCube فرکانس های رادیویی بین 10 تا 50 مگاهرتز را مشاهده می کند. این فرکانس‌ها برای تلسکوپ‌هایی که از زمین کار می‌کنند تا حد زیادی غیرقابل دسترسی هستند، و ماه را به مکانی با ارزش برای آزمایش تبدیل می‌کند.

د لرا آسدو، که همچنین وابسته به مؤسسه کیهان‌شناسی کاولی است، می‌گوید: «هیچ مکان دیگری وجود ندارد که بتوانید آن نوع محافظی را که برای تشخیص چنین سیگنال ضعیفی نیاز دارید و در عین حال به کل فضا نگاه کنید، دریافت کنید. سمت دور ماه واقعا تنها گزینه است: چندین مشکل را به طور همزمان حل می‌کند و پنجره‌ای روشن را به روی کیهان اولیه باز می‌کند.

پس از رسیدن به مدار ماه، CosmoCube یک آنتن رادیویی بلند و سبک را مستقر خواهد کرد. هنگامی که فضاپیما در پشت ماه حرکت می کند، آنتن به دنبال سیگنال هیدروژن 21 سانتی متری از کیهان اولیه خواهد بود در حالی که سطح ماه مانع از تداخل زمین می شود.

تشخیص چنین سیگنال ضعیفی نیاز به دقت بالایی دارد. بنابراین CosmoCube به طور مستمر وسایل الکترونیکی خود را با استفاده از کالیبراتور 'Dicke switched' نظارت و تنظیم می کند. این سیستم به طور متناوب بین مشاهده آسمان و اندازه گیری چندین منبع مرجع داخلی انجام می شود.

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

محققان پس از بازگشت مشاهدات به زمین، پردازش های بیشتری را انجام خواهند داد. تکنیک‌های آماری پیشرفته بیزی برای جدا کردن سیگنال مورد نظر از انتشارات رادیویی پیش‌زمینه، به‌ویژه آنهایی که توسط کهکشان خودمان تولید می‌شوند، استفاده خواهد شد.

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و اندازه‌گیری‌های جمع‌آوری‌شده در طول این مأموریت همچنین به محققان این امکان را می‌دهد تا نحوه واکنش آنتن CosmoCube به مناطق مختلف آسمان را بازسازی کنند. سپس دانشمندان می‌توانند تحریف‌های باقی‌مانده را که ممکن است با نتایج تداخل داشته باشند، تصحیح کنند.

د لرا آسدو گفت: جدای از علم، چیزی که ماموریت ما را منحصر به فرد می کند اندازه آن است: ما در حال کاوش در ابتدایی ترین و عمیق ترین بخش های دوران تاریکی هستیم که دیگران به آن نمی رسند، اما با یک پلت فرم فشرده و نسبتا کم هزینه.

سکوت رادیویی موجود در پشت ماه ممکن است ارزش بیشتری پیدا کند. ایالات متحده، هند و سایر کشورها نیز در حال برنامه‌ریزی مأموریت‌هایی هستند که قصد دارند از محیط رادیویی غیرعادی آرام در سمت دور ماه استفاده کنند.

CosmoCube خود حاوی یک رادیومتر مینیاتوری بسیار یکپارچه است که فناوری های مدرن آنالوگ و دیجیتال را با استفاده از به اصطلاح فناوری RF Systems on Chip (RFSoCs) ترکیب می کند.

پلت فرم فضاپیمای CosmoCube ("SSTL-21") در بریتانیا توسط Surrey Space Technology Limited (SSTL)، یک شرکت متخصص در ساخت ماهواره های کوچک در حال توسعه است.

توسعه ابزار در حال حاضر 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 هستند، در حالی که محققانی از کشورهای اتحادیه اروپا از جمله مالت نیز در آن شرکت دارند.

تیم CosmoCube اخیرا در ماموریت های کوچک ESA Fast Call for Ideas شرکت کرده است که هدف آن ماموریت پیشنهادی کمتر از 50 میلیون یورو است.

دکتر ویل گرینگر از STFC RAL Space، یکی از نویسندگان این پروژه گفت: "CosmoCube قصد دارد تا برخی از علم جاه طلبانه را از یک ماهواره بسیار کوچک در یک محیط چالش برانگیز انجام دهد و برای انجام این کار نیاز به تکنیک های طراحی هوشمندانه است." ما با شرکای پروژه برای توسعه مدل‌های نماینده ماهواره و محموله آن کار کرده‌ایم. این مدل‌ها در تاسیسات ما آزمایش شده‌اند تا اطمینان حاصل کنیم که عملکرد حرارتی به محموله اجازه می‌دهد تا تحت شرایط دمایی متفاوتی که در مدار ماه تجربه می‌کند، عمل کند و اندازه‌گیری‌های حساس مورد نیاز را انجام دهد.

در آینده، ما امیدواریم که بتوانیم محموله کامل را برای آماده شدن برای یک ماموریت کامل توسعه دهیم."

در صورت موفقیت، CosmoCube می تواند نشان دهد که اکتشافات بزرگ در مورد اولین جهان لزوما به فضاپیماهای عظیم نیاز ندارد.

در عوض، یک ماهواره فشرده که در یکی از آرام‌ترین محیط‌های رادیویی موجود در نزدیکی زمین قرار دارد، می‌تواند دسترسی دانشمندان را به عصری فراهم کند که تا کنون فراتر از رصد مستقیم باقی مانده است.

د لرا آسدو می‌گوید: «این می‌تواند یک داستان موفقیت واقعی در بریتانیا باشد: سخت‌افزار، نرم‌افزار، پیاده‌سازی و فناوری همه در اینجا در حال توسعه هستند و می‌تواند به ما کمک کند به یکی از عمیق‌ترین سؤالات جهان پاسخ دهیم.»

این کار تا حدی توسط آژانس فضایی بریتانیا، بنیاد کاولی، و شورای تأسیسات علم و فناوری (STFC)، بخشی از تحقیقات و نوآوری بریتانیا (UKRI) حمایت شد. الوی د لرا آسدو عضو کالج سلوین، کمبریج است.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه کمبریج. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دانشمندان یک "حافظه" مولکولی کشف کردند که می تواند باعث بازگشت وزن از دست رفته شود

دانشمندان فاش کردند که اگر یلوستون اکنون فوران کند چه اتفاقی می‌افتد

دانشمندان یک کمک خواب غیرمنتظره ساخته شده از ریشه درختان را آزمایش کردند

تلسکوپ رومی ناسا چشم 300 مگاپیکسلی خود را بر روی کیهان باز کرد