Khám phá quá khứ vũ trụ với vệ tinh đặt phía sau mặt trăng

Nhiệm vụ có tên CosmoCube được một nhóm quốc tế do Đại học Cambridge dẫn đầu đề xuất. Thay vì đặt kính thiên văn trên Trái đất, nhóm muốn đưa vệ tinh vào quỹ đạo quanh Mặt trăng và tận dụng chính Mặt trăng như một tấm chắn khổng lồ chống nhiễu vô tuyến từ Trái đất.

Tìm tín hiệu 21 cm từ “thời kỳ đen tối”

Sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ không lập tức xuất hiện sao và thiên hà. Có một giai đoạn vật chất chủ yếu tồn tại dưới dạng khí hydro trung tính. Đây được gọi là “thời kỳ đen tối”, kéo dài cho tới khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành và phát sáng.

Một kế hoạch mới để lắng nghe vũ trụ cổ đại từ phía xa của Mặt Trăng.

Hydro trung tính phát ra một tín hiệu vô tuyến đặc trưng ở bước sóng 21 cm. Khi vũ trụ giãn nở, tín hiệu này bị dịch đỏ xuống những tần số rất thấp. Đó chính là tín hiệu CosmoCube muốn tìm.

Giáo sư Eloy de Lera Acedo, giáo sư thiên văn vô tuyến tại Phòng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge, đồng thời là người đứng đầu nhóm thiên văn vô tuyến và vũ trụ học của phòng thí nghiệm, là nhà khoa học dẫn dắt sứ mệnh CosmoCube.

Theo thiết kế hiện tại, vệ tinh sẽ quan sát trong khoảng 10-50 MHz. Đây là vùng tần số cực khó nghiên cứu từ mặt đất vì tầng điện ly của Trái đất cản trở tín hiệu, trong khi các đài phát thanh, vệ tinh và hệ thống viễn thông tạo ra lượng nhiễu lớn.

Mặt trăng trở thành “lá chắn vô tuyến”

Ý tưởng của CosmoCube khá đơn giản nhưng đầy tham vọng. Khi vệ tinh bay ra phía sau Mặt trăng, chính Mặt trăng sẽ che chắn nó khỏi phần lớn tín hiệu vô tuyến phát ra từ Trái đất. Theo thiết kế, trong mỗi quỹ đạo kéo dài khoảng hai giờ, CosmoCube có thể ở trong vùng được Mặt trăng che chắn khoảng 40 phút.

Nếu hoạt động trong hai năm, nhiệm vụ có thể thu thập khoảng 1.000 giờ quan sát từ môi trường vô tuyến đặc biệt yên tĩnh này.

Đặt ở phía tối của Mặt Trăng, vệ tinh sẽ không bị sóng vô tuyến từ Trái Đất làm ô nhiễm.

Nhóm nghiên cứu cho rằng mặt xa của Mặt trăng là một trong số ít địa điểm gần Trái đất có thể giải quyết đồng thời hai vấn đề: tránh nhiễu vô tuyến của con người và vẫn quan sát được một vùng trời rộng lớn.

Nhưng “im lặng” không có nghĩa là dễ đo. Tín hiệu từ hydro thời kỳ đầu của vũ trụ yếu đến mức các tín hiệu do chính thiết bị tạo ra cũng có thể gây nhiễu. CosmoCube vì vậy sẽ có hệ thống hiệu chuẩn Dicke-switched, liên tục chuyển đổi giữa quan sát bầu trời và đo các nguồn tham chiếu bên trong thiết bị.

Sau khi dữ liệu được truyền về Trái đất, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp thống kê Bayesian để tách tín hiệu mong muốn khỏi bức xạ tiền cảnh, đặc biệt là phát xạ từ Dải Ngân hà.

Có thể nhìn thấy vai trò của vật chất tối

Một trong những mục tiêu quan trọng của CosmoCube không chỉ là xác định thời điểm những ngôi sao đầu tiên xuất hiện.

Tín hiệu 21 cm có thể cho phép các nhà khoa học khảo sát cách vật chất phân bố trước khi các thiên hà hình thành. Vì vật chất tối tương tác hấp dẫn với hydro, dấu vết của nó có thể được phản ánh trong sự phân bố của khí hydro nguyên thủy.

Nếu dữ liệu đủ tốt, các nhà khoa học có thể kiểm tra những mô hình về cách vật chất tối kéo vật chất thông thường lại với nhau để tạo thành những cấu trúc đầu tiên của vũ trụ.

Kỷ nguyên bóng tối (Cosmic Dark Ages) của vũ trụ được cho là bắt đầu từ 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, lúc các ngôi sao chưa hình thành.

Đây là lý do Giáo sư de Lera Acedo gọi tín hiệu hydro từ giai đoạn trước những ngôi sao đầu tiên là một cửa sổ để nghiên cứu vai trò của vật chất tối trong quá trình hình thành cấu trúc vũ trụ.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm và tiến hành những thử nghiệm môi trường. Vệ tinh dự kiến sử dụng nền tảng SSTL-21 do Surrey Satellite Technology Limited phát triển.

Nhóm đặt mục tiêu phóng trong vòng khoảng 5 năm tới. Đề xuất nhiệm vụ được thiết kế theo hướng tương đối tiết kiệm, với mục tiêu chi phí dưới 50 triệu euro.

Nếu được triển khai, CosmoCube sẽ không cạnh tranh trực tiếp với những kính thiên văn không gian khổng lồ. Nó theo đuổi một mục tiêu khác: sử dụng một vệ tinh nhỏ, một ăng-ten nhẹ và vị trí đặc biệt phía sau Mặt trăng để tiếp cận vùng tần số mà các đài quan sát mặt đất gần như không thể khai thác.

Điều hấp dẫn nhất của nhiệm vụ nằm ở chỗ đó. Để nhìn sâu hơn vào quá khứ vũ trụ, đôi khi các nhà khoa học không cần một kính thiên văn lớn hơn, mà cần một nơi yên tĩnh hơn.

Vũ trụ có hàng tỷ tỷ ngôi sao nhưng vẫn tối đen?