Na první pohled může působit překvapivě, že má tak ambiciózní úkol plnit družice, která se vejde téměř do kufru. CosmoCube má obíhat Měsíc a využívat jeho odvrácenou stranu jako přirozený štít před rádiovým rušením, které neustále vzniká na Zemi.

Vědci mají v úmyslu naslouchat vesmíru v období přibližně 150 milionů let, které následovalo po Velkém třesku, ale předcházelo vzniku prvních hvězd. Této etapě se říká kosmický temný věk a přímé pozorování této části historie vesmíru zatím astronomům uniká.

Vesmír před prvními hvězdami

Když se dnes podíváme do hlubokého vesmíru, pozorujeme obrovské množství hvězd, galaxií a dalších objektů. Akorát nic z toho nevzniklo okamžitě. Raný vesmír byl velmi odlišným místem od toho, který známe dnes.

Po Velkém třesku měl být vesmír nejprve extrémně horký a hustý. Postupně se rozpínal a ochlazoval. Záření, které z této doby pochází, dnes pozorujeme jako takzvané kosmické mikrovlnné pozadí. Potom ale následovalo období, o kterém máme mnohem méně přímých informací.

Vesmír byl v této době převážně tvořen vodíkem a neexistovaly v něm ještě ani první hvězdy, které by svým zářením začaly výrazně měnit jeho okolí. Přesně proto astronomové označují toto období jako kosmický temný věk.

Situace se změnila až poté, kdy vznikly první hvězdy. Jejich zrod znamenal začátek takzvaného Kosmického úsvitu, což je obecně považováno za období, kdy se vesmír začal postupně stávat stále složitějším a strukturovanějším místem.

CosmoCube se hodlá dostat právě k tomu, co těmto prvním hvězdám předcházelo.

Vodík zanechal první indicii

Jedním z nejzajímavějších způsobů, jak tuto dávnou éru zkoumat, je hledat rádiové záření pocházející z neutrálního vodíku. Vědci se zaměřují konkrétně na takzvanou 21centimetrovou čáru, která souvisí s přechodem mezi energetickými stavy atomu vodíku.

Je to signál, který je pro astronomy mimořádně cenný. Vodík byl v raném vesmíru dominantním prvkem a jeho rozložení i vlastnosti mohou prozradit mnoho o tom, co se tehdy dělo.

Nicméně problém je v tom, že zrovna signál, který vědci hledají, je neuvěřitelně slabý. Navíc se z důvodu neustálého rozpínání vesmíru jeho původní vlnová délka výrazně prodloužila. Pro CosmoCube to znamená hledání rádiových vln o frekvencích přibližně mezi 10 a 50 MHz.

A zde začíná být pozorování z povrchu Země velmi obtížné.

Země je pro takové měření příliš hlučná

Zdroj: ChatGPT

Kdybychom chtěli poslouchat velmi slabý signál z raného vesmíru přímo ze Země, narazíme na několik zásadních překážek. Jedna z těchto překážek je ionosféra, která některé rádiové frekvence blokuje nebo výrazně ovlivňuje.

Ještě větší kámen úrazu je ale samotné lidstvo.

Na Zemi vzniká obrovské množství rádiového provozu. Vysílání rozhlasových stanic, telekomunikační sítě, satelity a další technologie vytvářejí rádiový šum, který je ve srovnání s hledaným kosmickým signálem obrovský.

Je to trochu jako snažit se zaslechnout velmi tichý zvuk z druhého konce města uprostřed rušné ulice. Nejde jen o to mít dostatečně citlivý mikrofon. Potřebujete také místo, kde je okolní hluk co nejmenší.

A přesně takové místo nabízí odvrácená strana Měsíce, o které si brzy v souvislostech něco více řekneme.

Měsíc má funkci přirozené pevnosti

CosmoCube má obíhat Měsíc a během každého přibližně dvouhodinového oběhu se dostat na zhruba 40 minut za jeho odvrácenou stranu. V této části dráhy bude Měsíc fungovat jako obrovský přirozený štít, který družici odstíní od rádiového rušení přicházejícího ze Země.

To je primární důvod, proč je odvrácená strana Měsíce pro podobný experiment tak atraktivní.

Nejde přitom jen o to, že Měsíc fyzicky zakryje Zemi. Družice bude zároveň mimo vliv části problémů spojených s pozorováním nízkých rádiových frekvencí ze zemského povrchu. Vědci tak získají prostředí, které je z hlediska rádiové astronomie výrazně klidnější.

„Odvrácená strana Měsíce je skutečně jedinou možností,“ uvedl vedoucí projektu profesor Eloy de Lera Acedo z Cavendishovy laboratoře na University of Cambridge. Podle něj řeší několik problémů současně, čímž vytváří poměrně čisté okno do velmi raného vesmíru.

Tohle celé je princip, jenž dává projektu CosmoCube jeho největší smysl. Družice nemusí být nijak zvlášť obrovská, protože místo ní odvádí část práce samotný Měsíc.

Tisíc hodin poslechu raného vesmíru

Pokud se mise uskuteční podle plánů, měla by trvat přibližně dva roky. Během této doby by CosmoCube mohl postupně nasbírat kolem 1000 hodin pozorování z období, které patří mezi nejméně prozkoumané části kosmické historie.

Ve výsledku by to neměla být jedna jednoduchá fotografie raného vesmíru. Vědci se budou snažit z obrovského množství velmi slabých dat rekonstruovat vlastnosti vodíku v době před vznikem prvních hvězd.

Měření tohoto druhu by mohla pomoci vysvětlit, jak se vesmír postupně změnil z relativně jednoduchého prostředí tvořeného převážně vodíkem do strukturovaného kosmu plného galaxií. Zároveň by mohla přinést informace o procesech, které předcházely vzniku prvních hvězd a galaxií.

Ve hře je také temná hmota

Zdroj: Shutterstock

Jeden z důvodů, proč vědci o CosmoCube mluví s takovým očekáváním, je možnost studovat nejen vodík, ale také vliv temné hmoty v raném vesmíru. V tuto chvíli to budeme rozvíjet na oficiálních tezích teoretické astrofyziky, kdy temná hmota je reálná vesmírná esence a konstrukt, nikoliv jen konstanta. Vím, že jsme již opakovaně rozebírali, proč a odkdy je to pouze konstanta, nicméně v rámci tohoto tématu je potřeba pracovat s tou druhou možností.

Temná hmota sama o sobě světlo nevyzařuje ani neodráží způsobem, který bychom mohli jednoduše pozorovat běžnými dalekohledy. Víme o ní především díky jejím gravitačním účinkům. Ano, někdo říká nebo žije v domnění, že gravitace a temná hmota jsou totéž. Možná ano, možná ne. Nicméně v obou případech by gravitace sehrála extrémně důležitou roli při formování struktur ve vesmíru. A s tím se v tomto projektu počítá.

V době před vznikem prvních hvězd ještě nebyly galaxie takové, jaké známe dnes. Hmota se však už začínala vlivem gravitace shlukovat.

Pokud by se podařilo dostatečně přesně změřit vlastnosti vodíkového signálu z této doby, mohli by vědci získat další informace o tom, jak temná hmota ovlivňovala pohyb a shlukování běžné hmoty.

„Tato emise vodíku z období po Velkém třesku, ale před vznikem prvních hvězd, nám snad umožní pochopit úlohu temné hmoty v raném vesmíru a to, jak pomáhala shromažďovat vodík do prvních hvězd a galaxií,“ vysvětlil de Lera Acedo.

Problém není jen zachytit signál

Ani pobyt na odvrácené straně Měsíce ale automaticky neznamená, že CosmoCube dokáže hledaný signál jednoduše zachytit. Ve skutečnosti bude jednou z nejtěžších částí celé mise oddělit skutečný kosmický signál od všeho ostatního.

Družice má proto vysunout dlouhou a lehkou rádiovou anténu, která bude během pobytu za Měsícem sledovat oblohu. Citlivost přístroje ale znamená, že problém bude určitě představovat i samotná elektronika družice.

Každé zařízení vytváří určitou úroveň vlastního šumu, a pokud je hledaný signál extrémně slabý, mohou i velmi malé změny v chování elektroniky vypadat jako skutečný astronomický signál.

CosmoCube proto využije speciální kalibrační systém označovaný jako „Dicke switched“ kalibrátor. Ten bude opakovaně přepínat mezi měřením oblohy a několika referenčními zdroji zabudovanými přímo v přístroji. Díky tomu budou moci vědci sledovat drobné změny ve vlastnostech přístroje a následně je z naměřených dat vyřazovat. Bez takové kalibrace by bylo velmi snadné zaměnit instrumentální drift za skutečný signál z raného vesmíru, po kterém chtějí pátrat.

Ani po návratu dat není hotovo

Další část práce začne až ve chvíli, kdy data dorazí zpět na Zemi.

Astronomové budou muset od signálu oddělit především takzvané popředí rádiového záření, které pochází z mnohem bližších zdrojů. Významným problémem bude například záření samotné Mléčné dráhy.

Vědci proto plánují využít pokročilé statistické metody založené na bayesovském přístupu. Jejich úkolem bude odhadnout, která část naměřeného signálu může odpovídat hledanému vodíkovému záření a která souvisí s jinými zdroji.

Důležitou roli sehrají také počítačové simulace a měření prováděná přímo v průběhu mise. Vědci potřebují velmi přesně vědět, jak se anténa chová při pozorování různých částí oblohy. Pokud totiž přístroj reaguje na různé směry trochu odlišně, může tento efekt do výsledných dat zanést další zkreslení. I to bude nutné následně domodelovat a odstranit.

Malý satelit, velmi ambiciózní úkol

Ještě se vraťme k pozoruhodné velikosti satelitu, který pro tuto misi použijí. CosmoCube má být relativně malou a levnou platformou, přestože jeho vědecký cíl patří mezi ty nejambicióznější, jaké si lze představit.

„Z hlediska vědy je naše mise jedinečná tím, že s kompaktní a relativně levnou platformou zkoumáme nejranější a nejhlubší části temného věku, kam se jiné projekty nedostanou,“ řekl de Lera Acedo.

Za projektem přitom nestojí pouze jedna instituce. Vedoucí úlohu má University of Cambridge, ale na vývoji spolupracují také Portsmouth University, STFC RAL Space a průmysloví partneři. Do projektu jsou zapojeni také partneři z dalších evropských zemí včetně Malty.

Samotnou platformu družice, označovanou jako SSTL-21, vyvíjí britská společnost Surrey Space Technology Limited, která se přímo specializuje na malé satelity.

Vývoj už tedy není pouze na papíře, ale existují laboratorní prototypy a probíhají environmentální testy, při kterých se ověřuje, zda zařízení dokáže dlouhodobě fungovat v podmínkách, jaké bude muset zvládnout během oběhu kolem Měsíce.

Elektronika bude muset přežít pořádný teplotní rozdíl

Citlivost měření bude pro toto zařízení asi ten nejmenší problém. Satelit bude operovat v prostředí, kde se jeho teplotní podmínky budou výrazně měnit.

Tým proto testuje reprezentativní modely družice a jejího vědeckého vybavení. Mají za cíl ověřit, zda tepelný výkon systému umožní citlivým přístrojům pracovat správně během různých fází oběhu kolem Měsíce.

Dr. Will Grainger ze STFC RAL Space upozorňuje, že dosažení vědeckých cílů s tak malým satelitem vyžaduje poměrně chytré konstrukční řešení.

CosmoCube má navíc využívat integrovaný miniaturní radiometr, jenž kombinuje moderní analogovou a digitální technologii prostřednictvím RF Systems-on-Chip. A podobné technologie umožňují vměstnat poměrně sofistikované měřicí zařízení do výrazně menšího prostoru, než by bylo potřeba u klasické konstrukce.

Odvrácená strana Měsíce nemusí zůstat tichá navždy

Zdroj: ChatGPT

Existuje však jeden docela příhodný paradox. Místo, které je dnes pro rádiovou astronomii tak cenné právě díky své izolaci od pozemského vysílání, by mohlo být v budoucnu stále rušnější.

Spojené státy, Indie a další země plánují mise, které chtějí výhod odvrácené strany Měsíce rovněž využívat. Jestliže se zde v budoucnu objeví větší množství techniky, komunikace a dalších zařízení, může se zdejší rádiově klidné prostředí postupně změnit.

To dává projektu CosmoCube určitý časový rozměr. Pokud má být odvrácená strana Měsíce využívána jako přirozená rádiová observatoř, může být výhodné začít s podobnými experimenty dříve, než se měsíční prostředí začne výrazněji měnit.

Mise by mohla odstartovat během několika let

Projekt získal finanční podporu od UK Space Agency a jeho tým doufá, že by CosmoCube mohl být vypuštěn během příštích pěti let.

Výzkumníci se navíc nedávno zapojili do výzvy ESA mini-Fast missions Call for Ideas. Ta se zaměřuje na mise s rozpočtem pod 50 milionů eur, což dobře zapadá do filozofie CosmoCube jako relativně malé a nákladově úsporné vědecké mise.

Pokud se podaří projekt dotáhnout až k samotnému startu, nebude jeho význam spočívat pouze v konkrétním měření. Mohl by také ukázat, že pro některé velmi náročné vědecké otázky není vždy potřeba obrovská kosmická observatoř.