اخبار – مناطق ناشناخته ای از جهان وجود دارد – و زمان های ناشناخته ای وجود دارد. در واقع، تقریباً 400 میلیون سال شکافی در تاریخ جهان ما وجود دارد که ما هرگز آن را ندیده‌ایم: زمانی قبل از ستارگان به نام عصر تاریک. برای مطالعه این دوران، محققان می‌خواهند سیگنال رادیویی خاصی را دریافت کنند که از زمین قابل اندازه‌گیری نیست.
اولین قدم برای گوش دادن به آن یک پروژه ردیابی است که به آن معروف است آزمایشات الکترومغناطیسی در سطح ماه-شب، یا LuSEE-Night. این آزمایش قرار است در سال 2025 به ماه برود، جایی که این فناوری را در محیط خشن ماه آزمایش خواهد کرد.
این پروژه با همکاری ناسا و وزارت انرژی با شرکای آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی)، آزمایشگاه ملی بروکهاون (آزمایشگاه اصلی DOE)، UC برکلی و دانشگاه مینه‌سوتا است. تیم آزمایشگاه برکلی ساخت آنتنی برای آزمایشی را آغاز کرده است که سعی خواهد کرد این امواج رادیویی باستانی را تنظیم کند.
کایا روترموند، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه برکلی که کار می‌کرد، گفت: «اگر در آن سوی ماه هستید، محیطی بکر و بی‌صدا دارید که می‌توانید از آن سیگنال را از دوران تاریکی کشف کنید. روی آنتن LuSEE-Night ماموریتی است که نشان می‌دهد آیا می‌توانیم چنین مشاهداتی را از جایی که هرگز نرفته‌ایم، و همچنین برای محدوده فرکانسی که هرگز قادر به مشاهده آن نبوده‌ایم، انجام دهیم.
سیگنال دوران تاریکی را نمی توان از زمین اندازه گیری کرد زیرا جو ما سیگنال رادیویی را قبل از رسیدن به ابزارهای زمینی جذب، شکست و منعکس می کند. حتی اگر می توانست، سیگنال رادیویی در اثر نویز وسایل الکترونیکی و ارتباطات خودمان از بین می رفت.
ماه به عنوان یک سپر عمل می کند و امواج رادیویی را از زمین مسدود می کند. و با جمع آوری داده ها فقط در طول دو هفته شب قمری، این آزمایش می تواند امواج رادیویی خورشید را نیز مسدود کند. اما این مکان منزوی چالش هایی را نیز به همراه دارد. LuSEE-Night باید در دمای حدود -280 درجه فارنهایت کار کند، سپس در طول روز قمری که باتری های خود را دوباره شارژ می کند، در نوسان شدید تا 250 درجه فارنهایت مقاومت کند. و از آنجایی که سمت دور ماه هرگز رو به زمین نیست، ارتباط مستقیم با آزمایش غیرممکن است. LuSEE-Night باید تمام داده های خود را از طریق یک ماهواره رله که از بالای سر عبور می کند ارسال کند.
آریتوکی سوزوکی، که پروژه آنتن دهی آزمایشگاه برکلی را رهبری می کند، می گوید: «مهندسی برای فرود یک ابزار علمی درست در سمت دور ماه یک دستاورد بزرگ است. “اگر بتوانیم نشان دهیم که این امکان پذیر است – که می توانیم به آنجا برسیم، مستقر شویم و در شب زنده بمانیم – می تواند زمینه ای را برای جامعه و آزمایش های آینده باز کند.”
تکان دادن به دوران تاریکی
پس از انفجار بزرگ، جهان با پلاسمای داغ و مات از ذرات در حال پرسه زدن پر شد. پس از حدود 400000 سال، پلاسما به اندازه‌ای سرد شده است که پروتون‌ها و الکترون‌ها با هم ترکیب شده و به هیدروژن تبدیل شده و نور را برای سفر در جهان آزاد می‌کند. این نور که به عنوان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB شناخته می‌شود، به تلسکوپ‌های ما رسید و تصویر کودکی از کیهان به ما داد. پس از آن گاز هیدروژن تقریباً به مدت 400 میلیون سال در دوران تاریکی تسلط داشت تا اینکه اولین ستاره ها و کهکشان ها در سپیده دم کیهانی شکل گرفتند.
با CMB، ما این عکس فوری از جهان اولیه را داریم. سوزوکی گفت و ما همچنین تصاویری از کیهان جدیدتر پس از تولد ستارگان داریم. ما می‌خواهیم قرون تاریکی را مطالعه کنیم، زیرا چگونگی تکامل جهان اولیه را به جهانی که امروز می‌بینیم را به هم مرتبط می‌کند.»
محققان انتظار دارند که هیدروژن مقداری از انرژی CMB را در فرکانس خاصی جذب کند. با انبساط کیهان، فرکانس پایین تر جابجا شد و اکنون به صورت امواج رادیویی قابل تشخیص است. LuSEE-Night به فرکانس‌های بین 0.5 تا 50 مگاهرتز گوش می‌دهد، اگرچه احتمالاً در آینده آزمایش‌های حساس‌تری برای یافتن سیگنال ضعیف مورد نیاز است.
روترموند گفت: “ما به دنبال این شیب بسیار کوچک هستیم که به طور بالقوه سیگنالی برای عصر تاریک است.” ما می‌توانیم چیزهای زیادی در مورد کیهان‌شناسی که در این دوره زمانی اداره می‌شود به‌گونه‌ای بیاموزیم که تحت تأثیر ستارگان و اجرام دیگر قرار نگیرد که در مقایسه با جهان به‌عنوان یک کل رشد بسیار متفاوتی دارند.»
از آزمایشگاه تا ماه
برای جمع آوری امواج رادیویی، LuSEE-Night از دو جفت آنتن استفاده می کند که از نوک تا نوک شش متر فاصله دارند – اما کل آزمایش باید در یک مکعب یک متری به ماه سفر کند. هنگامی که LuSEE-Night فرود آمد، آنتن‌های «استیسر» با فنر در موقعیت خود باز می‌شوند.
محققان آزمایشگاه برکلی برای ساختن سیستم آنتن برای سفر خود به ماه، شروع به شبیه‌سازی و مدل‌سازی کردند و سپس به ساخت و آزمایش پرداختند.
این تیم با یک مدل مقیاس یک آنتن به سقف یکی از ساختمان‌های آزمایشگاه برکلی رفتند که از 3 متر به 30 سانتی‌متر کاهش یافت. آنها از یک فرستنده برای ارسال سیگنال به آنتن در سراسر فضای باز استفاده کردند.
روترموند گفت: «مشخص کردن آنتن‌هایمان مهم است تا به اطلاعاتی که به دست می‌آوریم اطمینان داشته باشیم و آنها را به گونه‌ای تنظیم کنیم که بهترین شانس را برای دیدن سیگنال عصر تاریکی داشته باشد». این تیم بهترین طراحی را ارائه کردند، الگوهای پرتو آنتن‌ها را شبیه‌سازی کردند و لوازم الکترونیکی را کالیبره کردند تا بتوانند تشخیص دهند که سیگنال چقدر قوی است.
تیم آزمایشگاه برکلی همچنین در حال ساخت یک صفحه گردان است که به صورت دوره ای آنتن ها را می چرخاند. از آنجایی که محققان انتظار دارند سیگنال دوران تاریکی در همه جهات یکسان باشد، هر سیگنالی که پس از چرخش تغییر می کند اساساً می تواند از داده ها فیلتر شود. این شامل نویز رادیویی از دیگر سیارات یا کهکشان ها، یا حتی تغییرات ناشی از سطح سنگی (“قمر سنگی”) در زیر آزمایش است.
پس از یک بررسی فنی موفق در تابستان، تیم اکنون با آزمایشگاه علوم فضایی دانشگاه برکلی و ساخت مدل پروازی که به ماه می رود، کار می کند. آنها زیرسیستم آنتن نهایی را تا ژانویه 2024 تحویل خواهند داد، جایی که با سایر اجزای LuSEE-Night یکپارچه خواهد شد – از جمله باتری عظیم 110 پوندی (50 کیلوگرم) که آن را در شب حفظ می کند. این آزمایش در یک پرواز آتی Commercial Lunar Payload Services (CLPS) که توسط Firefly Aerospace انجام می شود به ماه می رود و به مدت 18 ماه داده جمع آوری می کند.
این کار توسط برنامه فیزیک انرژی بالای DOE Office of Science پشتیبانی شد.
###
در سال 1931 با این اعتقاد که بزرگترین چالش های علمی به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تاسیس شد. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشمندان آن با 16 جایزه نوبل شناخته شده اند. امروزه، محققان آزمایشگاه برکلی انرژی پایدار و راه‌حل‌های زیست‌محیطی را توسعه می‌دهند، مواد مفید جدید ایجاد می‌کنند، مرزهای محاسبات را پشت سر می‌گذارند و اسرار حیات، ماده و جهان را کشف می‌کنند. دانشمندان از سراسر جهان برای اکتشافات علمی خود به امکانات آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.
