Minh Nguyệt
Intern Writer
Các bạn biết không, dù kính thiên văn vô tuyến VLA trên Trái Đất đã làm rất tốt công việc của mình, nhưng nó vẫn có những hạn chế nhất định. Bầu khí quyển và tầng điện ly của chúng ta đã chặn mất nhiều phần của phổ điện từ, và ngay cả ở những sa mạc hẻo lánh nhất, nhiễu sóng từ Trái Đất cũng chẳng bao giờ biến mất hoàn toàn.
Vậy có nơi nào tốt hơn, thậm chí cô lập hơn để đặt một chiếc kính thiên văn vô tuyến không nhỉ? Chắc chắn rồi, một nhà khoa học hành tinh của NASA tên là Wendell Mendell đã nói với Jack Burns rằng: "Thế còn Mặt Trăng thì sao?". Ông ấy hỏi Burns liệu đã bao giờ nghĩ đến việc xây dựng một cái ở đó chưa.
Burns kể lại với một nụ cười tự giễu: "Phản ứng ngay lập tức của mình là không. Thậm chí có thể là 'không đời nào'. Tại sao mình lại muốn làm điều đó chứ?". Công việc của anh ấy ở VLA đang rất suôn sẻ, anh ấy bị cuốn hút bởi những câu hỏi lớn của vũ trụ học và không muốn bị chậm lại bởi những thủ tục hành chính rườm rà để xin tài trợ cho một thiết bị mới.
Thế nhưng, Mendell đã gợi ý Burns nên nghiên cứu thêm và phát biểu tại một hội nghị về các đài quan sát Mặt Trăng trong tương lai. Từ đó, suy nghĩ của Burns về một kính thiên văn vô tuyến đặt trong không gian bắt đầu thay đổi. Đó là vào năm 1984. Trong bốn thập kỷ kể từ đó, anh ấy đã xuất bản hơn 500 bài báo khoa học được bình duyệt về thiên văn vô tuyến. Anh ấy từng là cố vấn cho NASA, Bộ Năng lượng và Nhà Trắng, đồng thời là giáo sư và quản lý đại học. Và trong khi làm tất cả những điều đó, Burns còn có một công việc phụ không ngừng nghỉ, đó là một người ủng hộ kiên trì cho thiên văn vô tuyến từ không gian.
Và đầu năm tới, nếu mọi việc suôn sẻ, một kính thiên văn vô tuyến mà anh ấy là nhà điều tra khoa học sẽ được phóng lên – không chỉ vào không gian, không chỉ lên Mặt Trăng, mà còn đến mặt tối của Mặt Trăng, nơi nó sẽ quan sát những thứ vô hình từ Trái Đất.
Burns, hiện 73 tuổi và là giáo sư danh dự về vật lý thiên văn tại Đại học Colorado Boulder, chia sẻ: "Các bạn thấy đấy, chúng ta không hề thiếu tham vọng sau ngần ấy năm".
Thiết bị này có tên là LuSEE-Night, viết tắt của Lunar Surface Electromagnetics Experiment–Night (Thí nghiệm Điện từ Bề mặt Mặt Trăng – Ban đêm). Nó sẽ được phóng từ Florida bằng tên lửa SpaceX và được đưa đến mặt tối của Mặt Trăng trên một tàu vũ trụ robot bốn chân có tên Blue Ghost Mission 2, do Firefly Aerospace ở Cedar Park, Texas, chế tạo và vận hành.
Việc hạ cánh sẽ rất rủi ro: Blue Ghost 2 sẽ tự hoạt động, ở một nơi nằm ngoài tầm nhìn của các bộ điều khiển mặt đất. Tuy nhiên, Blue Ghost 1 của Firefly đã thực hiện thành công cuộc hạ cánh đầu tiên của một công ty tư nhân lên mặt gần của Mặt Trăng vào tháng 3 năm 2025. Và Burns cũng đã từng đưa thiết bị lên bề mặt Mặt Trăng, dù kết quả còn lẫn lộn: Một thí nghiệm mà anh ấy giúp hình thành đã có mặt trên tàu đổ bộ Odysseus, do Intuitive Machines ở Houston chế tạo, vào năm 2024. Odysseus đã bị hư hại khi hạ cánh, nhưng thí nghiệm của Burns vẫn thu về một số dữ liệu hữu ích.
Burns nói rằng anh ấy sẽ rất buồn về nhiệm vụ năm 2024 nếu không có nhiều nhiệm vụ khác sắp tới. Anh ấy đã cùng đề xuất vô số thiết kế cho các kính thiên văn vô tuyến có thể lên Mặt Trăng. Và anh ấy đã kiên trì vượt qua các tranh chấp chính trị, sự chậm trễ kỹ thuật, thậm chí cả cuộc chiến với căn bệnh ung thư. Cuối cùng, cuối cùng thì nỗ lực cũng đang đơm hoa kết trái.
Burns chia sẻ: "Chúng ta đang đặt chân lên đất Mặt Trăng và hiểu được những gì có thể thực hiện được với những kính thiên văn vô tuyến này ở một nơi mà chúng ta chưa từng quan sát trước đây".
**Tại sao lại phải đến mặt tối của Mặt Trăng?**
Một kính thiên văn vô tuyến đặt trên Mặt Trăng có thể giúp chúng ta làm sáng tỏ một số bí ẩn lớn nhất trong khoa học vũ trụ. Vật chất tối, năng lượng tối, sao neutron và sóng hấp dẫn đều có thể được nhìn rõ hơn nếu quan sát từ Mặt Trăng. Một trong những cộng tác viên của Burns trong dự án LuSEE-Night, nhà thiên văn học Gregg Hallinan từ Caltech, muốn một kính thiên văn như vậy để thúc đẩy nghiên cứu của mình về hoạt động điện từ xung quanh các ngoại hành tinh, một thước đo tiềm năng về khả năng sinh sống của những thế giới xa xôi này. Bản thân Burns đặc biệt quan tâm đến kỷ nguyên tối vũ trụ, một thời kỳ bắt đầu hơn 13 tỷ năm trước, chỉ 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Vũ trụ non trẻ đã nguội đủ để các nguyên tử hydro trung tính hình thành, chúng đã giữ lại ánh sáng của các ngôi sao và thiên hà. Kỷ nguyên tối kéo dài từ 200 triệu đến 400 triệu năm.
LuSEE-Night sẽ lắng nghe những tín hiệu yếu ớt từ kỷ nguyên tối vũ trụ, một giai đoạn bắt đầu khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, khi các nguyên tử hydro trung tính bắt đầu hình thành, giữ lại ánh sáng của các ngôi sao và thiên hà.
Burns nói: "Đó là một giai đoạn quan trọng trong lịch sử vũ trụ. Nhưng chúng ta không có dữ liệu nào từ nó cả".
Vấn đề là các tín hiệu vô tuyến còn sót lại từ kỷ nguyên này rất yếu và dễ dàng bị lấn át bởi nhiễu gần hơn – đặc biệt là các mạng lưới thông tin liên lạc, lưới điện, radar của Trái Đất, v.v. Mặt Trời cũng góp phần gây nhiễu. Hơn nữa, những tín hiệu sơ khai này đã bị dịch chuyển đỏ đáng kể do sự giãn nở của vũ trụ, bước sóng của chúng bị kéo dài khi các nguồn của chúng di chuyển ra xa chúng ta trong hàng tỷ năm. Ví dụ quan trọng nhất là hydro trung tính, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, khi bị kích thích trong phòng thí nghiệm sẽ phát ra tín hiệu vô tuyến có bước sóng 21 cm. Thật vậy, chỉ với một số thiết bị đơn giản, bạn có thể dễ dàng phát hiện hydro trung tính trong các đám mây khí thiên hà gần đó với bước sóng gần đó, tương ứng với tần số 1,42 GHz. Nhưng nếu tín hiệu hydro bắt nguồn từ kỷ nguyên tối, 21 cm đó sẽ kéo dài thành hàng chục mét. Điều đó có nghĩa là các nhà khoa học cần lắng nghe các tần số dưới 50 MHz – những phần của phổ vô tuyến mà tầng điện ly của Trái Đất chặn phần lớn.
Đó là lý do tại sao mặt tối của Mặt Trăng lại hấp dẫn đến vậy. Nó có thể là nơi yên tĩnh nhất trong hệ mặt trời bên trong.
David DeBoer, nhà thiên văn học nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley, nói: "Nó thực sự là nơi duy nhất trong hệ mặt trời không bao giờ đối mặt với Trái Đất. Nó thực sự là một nơi tuyệt vời, độc đáo".
Đối với thiên văn vô tuyến, mọi thứ còn tốt hơn trong đêm Mặt Trăng, khi Mặt Trời lặn xuống dưới đường chân trời và bị khối lượng của Mặt Trăng che khuất. Trong tối đa 14 ngày Trái Đất liên tục, một điểm trên mặt tối của Mặt Trăng yên tĩnh về mặt điện từ gần như bất kỳ nơi nào trong hệ mặt trời bên trong. Không có bức xạ từ Mặt Trời, không có tín hiệu gây nhiễu từ Trái Đất. Có thể có tín hiệu từ một vài tàu thăm dò không gian xa xôi, nhưng nếu không, lý tưởng nhất là ăng-ten của bạn chỉ nghe thấy tiếng ồn thô của vũ trụ.
Hallinan của Caltech giải thích: "Khi bạn xuống đến những tần số vô tuyến rất thấp đó, có một nguồn nhiễu xuất hiện liên quan đến gió mặt trời". Gió mặt trời là dòng hạt tích điện không ngừng di chuyển từ Mặt Trời. "Và vị trí duy nhất mà bạn có thể thoát khỏi điều đó trong phạm vi một tỷ km từ Trái Đất là trên bề mặt Mặt Trăng, ở phía ban đêm. Gió mặt trời thổi qua nó, và bạn có một khoang nơi bạn có thể ẩn mình khỏi tiếng ồn đó".
**LuSEE-Night hoạt động như thế nào?**
Bộ thu của LuSEE-Night trông có vẻ đơn giản, mặc dù thực sự không có gì đơn giản về nó cả. Phía trên là hai ăng-ten lưỡng cực, mỗi cái gồm hai thanh có thể gập lại hướng về hai phía đối diện. Các ăng-ten lưỡng cực được gắn vuông góc với nhau trên một bàn xoay nhỏ, tạo thành hình chữ X khi nhìn từ trên xuống. Mỗi ăng-ten lưỡng cực kéo dài khoảng 6 mét. Bàn xoay nằm trên một hộp thiết bị hỗ trợ có thể tích nhỏ hơn 1 mét khối; khoang thiết bị này lại nằm trên tàu đổ bộ Blue Ghost 2, một tàu vũ trụ hình hộp cao khoảng 2 mét.
LuSEE-Night đang được lắp ráp cuối cùng tại Phòng thí nghiệm Khoa học Vũ trụ tại Đại học California, Berkeley, và thử nghiệm tại Firefly Aerospace bên ngoài Austin, Texas.
Stuart Bale, nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, đồng thời là điều tra viên chính của NASA cho dự án, nói: "Đó là một thiết bị tuyệt đẹp. Chúng ta thậm chí còn không biết bầu trời vô tuyến trông như thế nào ở những tần số này khi không có Mặt Trời. Mình nghĩ đó là điều mà LuSEE-Night sẽ mang lại cho chúng ta".
Thiết bị này được thiết kế để đáp ứng một số nhu cầu không tương thích: Nó phải đủ nhạy để phát hiện các tín hiệu rất yếu từ không gian sâu; đủ bền để chịu được môi trường khắc nghiệt của Mặt Trăng; và đủ yên tĩnh để không gây nhiễu cho các quan sát của chính nó, nhưng đủ lớn để liên lạc với Trái Đất qua vệ tinh chuyển tiếp khi cần. Ngoài ra, thiết bị phải tuân thủ ngân sách khoảng 40 triệu USD (tương đương khoảng 1,016 tỷ VNĐ) và không nặng quá 120 kg. Kế hoạch nhiệm vụ kêu gọi hai năm hoạt động.
Các ăng-ten được làm bằng hợp kim đồng berili, được chọn vì độ dẫn điện cao và độ ổn định khi nhiệt độ Mặt Trăng giảm hoặc tăng tới 250 °C mỗi khi Mặt Trời mọc hoặc lặn. LuSEE-Night sẽ thực hiện các phép đo điện áp chính xác của các tín hiệu mà nó nhận được, sử dụng một transistor hiệu ứng trường nối có trở kháng cao để hoạt động như một bộ khuếch đại cho mỗi ăng-ten. Các tín hiệu sau đó được đưa vào một máy quang phổ – thiết bị khoa học chính – đọc các điện áp đó ở tốc độ 102,4 triệu mẫu mỗi giây. Tốc độ đọc cao đó nhằm ngăn chặn sự phóng đại của bất kỳ lỗi nào khi các tín hiệu yếu được khuếch đại. Các nhà khoa học tin rằng một dấu hiệu của kỷ nguyên tối vũ trụ sẽ yếu hơn 5 đến 6 bậc độ lớn so với các tín hiệu khác mà LuSEE-Night sẽ ghi lại.
Bàn xoay có tác dụng giúp đặc trưng hóa các tín hiệu mà ăng-ten nhận được, để, trong số những thứ khác, một dấu hiệu kỷ nguyên tối cổ đại có thể được phân biệt với các tín hiệu gần hơn, mới hơn từ, chẳng hạn, các thiên hà hoặc các đám mây khí giữa các vì sao. Dữ liệu từ vũ trụ sơ khai phải gần như đẳng hướng, nghĩa là nó đến từ khắp nơi trên bầu trời, bất kể hướng của ăng-ten. Các tín hiệu mới hơn có nhiều khả năng đến từ một hướng cụ thể. Do đó, bàn xoay: Nếu bạn thu thập dữ liệu trong suốt một đêm Mặt Trăng, sau đó định hướng lại ăng-ten và lắng nghe lại, bạn sẽ có thể phân biệt tốt hơn giữa cái xa và cái rất, rất xa.
Vậy đâu là điểm hạ cánh lý tưởng trên Mặt Trăng nếu bạn muốn thực hiện những phép đo như vậy? Một nơi gần như đối diện Trái Đất nhất có thể, trên một đồng bằng phẳng. Điều này không dễ tìm thấy trên mặt tối gồ ghề của Mặt Trăng, nhưng các nhà hoạch định nhiệm vụ đã nghiên cứu kỹ các bản đồ do vệ tinh Mặt Trăng tạo ra và chọn một vị trí đắc địa cách xích đạo Mặt Trăng khoảng 24 độ về phía nam.
Các kính thiên văn Mặt Trăng khác đã được đề xuất đặt trong các miệng hố bị che khuất vĩnh viễn gần cực nam của Mặt Trăng, ngay phía trên đường chân trời khi nhìn từ Trái Đất. Những miệng hố như vậy được thèm muốn vì lượng nước đá mà chúng có thể chứa, và nhiệt độ thấp trong đó (dưới -240 °C) rất tốt nếu bạn đang thực hiện thiên văn hồng ngoại và cần giữ cho các thiết bị của mình lạnh. Nhưng vị trí này rất tệ nếu bạn đang làm việc với sóng vô tuyến dài.
Leon Koopmans từ Đại học Groningen ở Hà Lan, cho biết trong một email: "Ngay cả bên trong những miệng hố như vậy cũng khó che chắn khỏi các tín hiệu nhiễu tần số vô tuyến (RFI) từ Trái Đất. Chúng khúc xạ ra khỏi vành miệng hố và thường, do bước sóng dài của chúng, đơn giản là xuyên thẳng qua vành miệng hố".
RFI là một vấn đề lớn – và đôi khi gây khó chịu – đối với các thiết bị nhạy cảm. Lần hạ cánh đầu tiên lên mặt tối của Mặt Trăng là của tàu vũ trụ Chang’e 4 của Trung Quốc, vào năm 2019. Nó mang theo một máy quang phổ vô tuyến tần số thấp, cùng với các thí nghiệm khác. Nhưng nó đã không trả về kết quả có ý nghĩa, các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết, chủ yếu là do nhiễu từ chính tàu vũ trụ.
**Sự ra đời tình cờ của Thiên văn vô tuyến**
Đôi khi, một chút nhiễu lại làm nên lịch sử. Ở đây, chúng ta nên dừng lại một chút để nhớ về Karl Jansky, người được coi là cha đẻ của thiên văn vô tuyến. Năm 1928, anh ấy là một kỹ sư trẻ tại Bell Telephone Laboratories ở Holmdel, N.J., được giao nhiệm vụ cô lập các nguồn nhiễu tĩnh trong các cuộc gọi điện thoại xuyên Đại Tây Dương sóng ngắn. Hai năm sau, anh ấy đã chế tạo một ăng-ten định hướng dài 30 mét, chủ yếu bằng đồng thau và gỗ, và sau khi tính đến các cơn bão và những thứ tương tự, vẫn còn tiếng ồn mà anh ấy không thể giải thích. Lúc đầu, cường độ của nó dường như tuân theo một chu kỳ hàng ngày, tăng và giảm cùng với Mặt Trời. Nhưng sau vài tháng quan sát, Mặt Trời và tiếng ồn đã lệch pha nghiêm trọng.
Năm 1930, Karl Jansky, một kỹ sư của Bell Labs ở Holmdel, N.J., đã chế tạo ăng-ten quay trên bánh xe này để xác định các nguồn nhiễu tĩnh cho thông tin liên lạc vô tuyến.
Dần dần, rõ ràng là chu kỳ của tiếng ồn không phải là 24 giờ; mà là 23 giờ 56 phút – thời gian Trái Đất quay một vòng so với các ngôi sao. Nhiễu mạnh nhất dường như đến từ hướng chòm sao Nhân Mã, mà thiên văn học quang học cho rằng đó là trung tâm của Dải Ngân Hà. Năm 1933, Jansky đã xuất bản một bài báo trên Proceedings of the Institute of Radio Engineers với tiêu đề đầy khiêu khích: "Các nhiễu loạn điện rõ ràng có nguồn gốc ngoài Trái Đất". Anh ấy đã mở ra phổ điện từ cho các nhà thiên văn học, mặc dù anh ấy chưa bao giờ tự mình theo đuổi thiên văn vô tuyến. Nhiễu mà anh ấy đã định nghĩa, đối với anh ấy, là "tiếng ồn sao".
Ba mươi hai năm sau, hai nhà khoa học khác của Bell Labs, Arno Penzias và Robert Wilson, cũng gặp phải một số nhiễu của riêng họ. Năm 1965, họ đang cố gắng điều chỉnh một ăng-ten hình sừng ở Holmdel cho thiên văn vô tuyến – nhưng có một tiếng rít, trong dải vi sóng, đến từ khắp nơi trên bầu trời. Họ không biết đó là gì. Họ loại trừ nhiễu từ Thành phố New York, không xa về phía bắc. Họ nối lại bộ thu. Họ dọn dẹp phân chim trong ăng-ten. Không có gì hiệu quả.
Vào những năm 1960, Arno Penzias và Robert W. Wilson đã sử dụng ăng-ten hình sừng này ở Holmdel, N.J., để phát hiện các tín hiệu yếu từ Vụ Nổ Lớn.
Trong khi đó, cách đó một giờ lái xe, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Princeton dưới sự chỉ đạo của Robert Dicke đang cố gắng tìm bằng chứng về Vụ Nổ Lớn đã khai sinh vũ trụ 13,8 tỷ năm trước. Họ đưa ra giả thuyết rằng nó sẽ để lại một tiếng rít, trong dải vi sóng, đến từ khắp nơi trên bầu trời. Họ đã bắt đầu chế tạo một ăng-ten. Sau đó, Dicke nhận được một cuộc điện thoại từ Penzias và Wilson, tìm kiếm sự giúp đỡ. "Chà, các chàng trai, chúng ta đã bị vượt mặt rồi", ông ấy nổi tiếng nói khi cuộc gọi kết thúc. Penzias và Wilson đã vô tình tìm thấy bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), bức xạ còn sót lại từ Vụ Nổ Lớn.
Burns và các đồng nghiệp của anh ấy là những người kế thừa theo nghĩa bóng của Jansky, Penzias và Wilson. Các nhà nghiên cứu gợi ý rằng dấu hiệu đặc trưng của kỷ nguyên tối vũ trụ có thể là một sự sụt giảm nhỏ trong CMB. Họ đưa ra giả thuyết rằng hydro kỷ nguyên tối có thể được phát hiện chỉ vì nó đã hấp thụ một chút năng lượng vi sóng từ buổi bình minh của vũ trụ.
**Mặt Trăng là một bà chủ khắc nghiệt**
Kế hoạch cho Blue Ghost Mission 2 là hạ cánh ngay sau khi Mặt Trời mọc tại địa điểm hạ cánh. Điều đó sẽ cho các nhà quản lý nhiệm vụ hai tuần để kiểm tra tàu vũ trụ, chụp ảnh, thực hiện các thí nghiệm khác mà Blue Ghost mang theo và sạc bộ pin của LuSEE-Night bằng các tấm quang điện của nó. Sau đó, khi hoàng hôn địa phương đến, họ sẽ tắt mọi thứ ngoại trừ bộ thu LuSEE-Night và một số hệ thống hỗ trợ tối thiểu.
LuSEE-Night sẽ hạ cánh tại một địa điểm cách xích đạo Mặt Trăng khoảng 25 độ về phía nam và đối diện với trung tâm mặt của Mặt Trăng khi nhìn từ Trái Đất. Mặt tối của Mặt Trăng là lý tưởng cho thiên văn vô tuyến vì nó được che chắn khỏi gió mặt trời cũng như các tín hiệu từ Trái Đất.
Ở đó, trong sự tĩnh lặng điện từ đóng băng, nó sẽ quét phổ từ 0,1 đến 50 MHz, thu thập dữ liệu để lập bản đồ tần số thấp của bầu trời – có thể bao gồm cả dấu hiệu hấp dẫn đầu tiên của kỷ nguyên tối.
Burns nói: "Sẽ rất khó khăn với thiết bị đó. Nhưng chúng ta có một số kỹ thuật phần cứng và phần mềm mà... chúng ta hy vọng sẽ cho phép chúng ta phát hiện cái gọi là tín hiệu toàn cầu hoặc toàn bầu trời... Về nguyên tắc, chúng ta có độ nhạy cần thiết". Họ sẽ lắng nghe và lắng nghe lại trong suốt nhiệm vụ. Đó là, nếu thiết bị của họ không bị đóng băng hoặc cháy trước.
Một nhiệm vụ chính của LuSEE-Night là bảo vệ các thiết bị điện tử vận hành nó. Nhiệt độ khắc nghiệt là vấn đề lớn nhất. Các hệ thống có thể được gia cố chống lại bức xạ vũ trụ, và một tàu vũ trụ chắc chắn sẽ có thể xử lý các áp lực khi phóng, bay và hạ cánh. Nhưng làm thế nào để chế tạo nó bền bỉ khi nhiệt độ dao động từ 120 đến -130 °C? Với nhiều lớp cách nhiệt? Máy sưởi điện để giảm lạnh ban đêm?
Burns nói: "Tất cả những điều trên". Để loại bỏ nhiệt ban ngày, sẽ có một tấm tản nhiệt parabol đa ô ở bên ngoài khoang thiết bị. Để giữ ấm vào ban đêm, sẽ có nguồn pin – rất nhiều pin. Trong tổng khối lượng phóng 108 kg của LuSEE-Night, khoảng 38 kg là bộ pin lithium-ion với dung lượng 7.160 Wh, chủ yếu để tạo nhiệt. Các tế bào pin sẽ sạc lại bằng quang điện sau khi Mặt Trời mọc. Máy quang phổ quan trọng đã được lập trình để tắt định kỳ trong hai tuần bóng tối, để trạng thái sạc của pin không giảm xuống dưới 8%; thà mất một ít thời gian quan sát còn hơn mất toàn bộ thiết bị và không thể hồi sinh nó.
**Thiên văn vô tuyến Mặt Trăng cho chặng đường dài**
Và nếu không thể hồi sinh nó thì sao? Burns đã trải qua điều đó trước đây. Năm 2024, anh ấy bất lực chứng kiến Odysseus, tàu đổ bộ Mặt Trăng đầu tiên do Mỹ chế tạo trong 50 năm, hạ cánh – và sau đó im lặng trong 15 phút đau khổ cho đến khi các bộ điều khiển ở Texas nhận ra rằng họ chỉ nhận được những tiếng ping không thường xuyên thay vì dữ liệu chi tiết. Odysseus đã hạ cánh mạnh, gãy một chân và cuối cùng nằm nghiêng.
ROLSES-1, được hiển thị ở đây bên trong tên lửa SpaceX Falcon 9, là kính thiên văn vô tuyến đầu tiên hạ cánh trên Mặt Trăng, vào tháng 2 năm 2024. Trong một cuộc hạ cánh khó khăn, một chân đã bị gãy, khiến kính thiên văn khó gửi dữ liệu về Trái Đất.
Là một phần của hàng hóa khoa học, Odysseus mang theo ROLSES-1 (Radiowave Observations on the Lunar Surface of the photo-Electron Sheath), một thí nghiệm mà Burns và một người bạn đã đề xuất với NASA nhiều năm trước. Nó một phần là thử nghiệm công nghệ, một phần để nghiên cứu các tương tác phức tạp giữa ánh sáng mặt trời, bức xạ và đất Mặt Trăng – đôi khi có đủ điện tích trong đất khiến các hạt bụi bay lơ lửng trên bề mặt Mặt Trăng, điều này có thể gây nhiễu các quan sát vô tuyến. Nhưng Odysseus đã bị hư hại nặng đến mức thay vì một tuần dữ liệu, ROLSES chỉ nhận được 2 giờ, hầu hết được ghi lại trước khi hạ cánh. Một sinh viên tốt nghiệp làm việc với Burns, Joshua Hibbard, đã cố gắng cứu vãn một phần thí nghiệm và chứng minh rằng ROLSES đã hoạt động: Ẩn trong dữ liệu thô của nó là các tín hiệu từ Trái Đất và Dải Ngân Hà.
Burns nói sau đó: "Đó là một trải nghiệm kinh hoàng, và mình đã nói với các sinh viên và bạn bè rằng mình không muốn là người đầu tiên trên một tàu đổ bộ nữa. Mình muốn là người thứ hai, để chúng ta có cơ hội thành công lớn hơn". Anh ấy nói rằng anh ấy cảm thấy tốt về việc LuSEE-Night tham gia nhiệm vụ Blue Ghost 2, đặc biệt là sau cuộc hạ cánh thành công của Blue Ghost 1. Trong khi đó, thí nghiệm ROLSES sẽ có cơ hội thứ hai: ROLSES-2 đã được lên lịch bay trên Blue Ghost Mission 3, có lẽ vào năm 2028.
Kế hoạch của NASA cho mảng kính thiên văn vô tuyến Mặt Trăng FarView Observatory, được hiển thị trong một bản vẽ của nghệ sĩ, kêu gọi 100.000 ăng-ten lưỡng cực được trải rộng trên 200 km².
Nếu LuSEE-Night thành công, nó chắc chắn sẽ đặt ra những câu hỏi đòi hỏi những kính thiên văn vô tuyến tham vọng hơn nhiều. Burns, Hallinan và những người khác đã nhận được tài trợ ban đầu của NASA cho một mảng giao thoa khổng lồ trên Mặt Trăng có tên FarView. Nó sẽ bao gồm một mạng lưới 100.000 nút ăng-ten trải rộng trên 200 km², được làm bằng nhôm chiết xuất từ đất Mặt Trăng. Họ nói rằng việc lắp ráp có thể bắt đầu sớm nhất là vào những năm 2030, mặc dù thực tế chính trị và ngân sách có thể cản trở.
Trong suốt chặng đường đó, Burns đã nhẹ nhàng thúc đẩy, khuyến khích và vận động, ủng hộ một đài quan sát Mặt Trăng qua nhiệm kỳ của mười quản trị viên NASA và bảy tổng thống Hoa Kỳ. Anh ấy có lẽ đã học được nhiều về chính trị Washington hơn anh ấy từng muốn. Các tổng thống Mỹ có thói quen đảo ngược các ưu tiên không gian của những người tiền nhiệm, vì vậy các nhiệm vụ đôi khi đã tiến hành hết sức, sau đó lại bị đình trệ trong nhiều năm. Với việc LuSEE-Night cuối cùng cũng chuẩn bị phóng, Burns đôi khi tỏ ra phấn khởi: "Cứ nghĩ mà xem. Chúng ta thực sự sẽ làm vũ trụ học từ Mặt Trăng". Những lúc khác, anh ấy thẳng thắn: "Mình chưa bao giờ nghĩ – không ai trong chúng ta nghĩ – rằng sẽ mất 40 năm".
Burns nói: "Giống như bất cứ điều gì trong khoa học, không có gì đảm bảo cả. Nhưng chúng ta cần phải tìm kiếm".
Vậy có nơi nào tốt hơn, thậm chí cô lập hơn để đặt một chiếc kính thiên văn vô tuyến không nhỉ? Chắc chắn rồi, một nhà khoa học hành tinh của NASA tên là Wendell Mendell đã nói với Jack Burns rằng: "Thế còn Mặt Trăng thì sao?". Ông ấy hỏi Burns liệu đã bao giờ nghĩ đến việc xây dựng một cái ở đó chưa.
Burns kể lại với một nụ cười tự giễu: "Phản ứng ngay lập tức của mình là không. Thậm chí có thể là 'không đời nào'. Tại sao mình lại muốn làm điều đó chứ?". Công việc của anh ấy ở VLA đang rất suôn sẻ, anh ấy bị cuốn hút bởi những câu hỏi lớn của vũ trụ học và không muốn bị chậm lại bởi những thủ tục hành chính rườm rà để xin tài trợ cho một thiết bị mới.
Thế nhưng, Mendell đã gợi ý Burns nên nghiên cứu thêm và phát biểu tại một hội nghị về các đài quan sát Mặt Trăng trong tương lai. Từ đó, suy nghĩ của Burns về một kính thiên văn vô tuyến đặt trong không gian bắt đầu thay đổi. Đó là vào năm 1984. Trong bốn thập kỷ kể từ đó, anh ấy đã xuất bản hơn 500 bài báo khoa học được bình duyệt về thiên văn vô tuyến. Anh ấy từng là cố vấn cho NASA, Bộ Năng lượng và Nhà Trắng, đồng thời là giáo sư và quản lý đại học. Và trong khi làm tất cả những điều đó, Burns còn có một công việc phụ không ngừng nghỉ, đó là một người ủng hộ kiên trì cho thiên văn vô tuyến từ không gian.
Và đầu năm tới, nếu mọi việc suôn sẻ, một kính thiên văn vô tuyến mà anh ấy là nhà điều tra khoa học sẽ được phóng lên – không chỉ vào không gian, không chỉ lên Mặt Trăng, mà còn đến mặt tối của Mặt Trăng, nơi nó sẽ quan sát những thứ vô hình từ Trái Đất.
Burns, hiện 73 tuổi và là giáo sư danh dự về vật lý thiên văn tại Đại học Colorado Boulder, chia sẻ: "Các bạn thấy đấy, chúng ta không hề thiếu tham vọng sau ngần ấy năm".
Thiết bị này có tên là LuSEE-Night, viết tắt của Lunar Surface Electromagnetics Experiment–Night (Thí nghiệm Điện từ Bề mặt Mặt Trăng – Ban đêm). Nó sẽ được phóng từ Florida bằng tên lửa SpaceX và được đưa đến mặt tối của Mặt Trăng trên một tàu vũ trụ robot bốn chân có tên Blue Ghost Mission 2, do Firefly Aerospace ở Cedar Park, Texas, chế tạo và vận hành.
Việc hạ cánh sẽ rất rủi ro: Blue Ghost 2 sẽ tự hoạt động, ở một nơi nằm ngoài tầm nhìn của các bộ điều khiển mặt đất. Tuy nhiên, Blue Ghost 1 của Firefly đã thực hiện thành công cuộc hạ cánh đầu tiên của một công ty tư nhân lên mặt gần của Mặt Trăng vào tháng 3 năm 2025. Và Burns cũng đã từng đưa thiết bị lên bề mặt Mặt Trăng, dù kết quả còn lẫn lộn: Một thí nghiệm mà anh ấy giúp hình thành đã có mặt trên tàu đổ bộ Odysseus, do Intuitive Machines ở Houston chế tạo, vào năm 2024. Odysseus đã bị hư hại khi hạ cánh, nhưng thí nghiệm của Burns vẫn thu về một số dữ liệu hữu ích.
Burns nói rằng anh ấy sẽ rất buồn về nhiệm vụ năm 2024 nếu không có nhiều nhiệm vụ khác sắp tới. Anh ấy đã cùng đề xuất vô số thiết kế cho các kính thiên văn vô tuyến có thể lên Mặt Trăng. Và anh ấy đã kiên trì vượt qua các tranh chấp chính trị, sự chậm trễ kỹ thuật, thậm chí cả cuộc chiến với căn bệnh ung thư. Cuối cùng, cuối cùng thì nỗ lực cũng đang đơm hoa kết trái.
Burns chia sẻ: "Chúng ta đang đặt chân lên đất Mặt Trăng và hiểu được những gì có thể thực hiện được với những kính thiên văn vô tuyến này ở một nơi mà chúng ta chưa từng quan sát trước đây".
**Tại sao lại phải đến mặt tối của Mặt Trăng?**
Một kính thiên văn vô tuyến đặt trên Mặt Trăng có thể giúp chúng ta làm sáng tỏ một số bí ẩn lớn nhất trong khoa học vũ trụ. Vật chất tối, năng lượng tối, sao neutron và sóng hấp dẫn đều có thể được nhìn rõ hơn nếu quan sát từ Mặt Trăng. Một trong những cộng tác viên của Burns trong dự án LuSEE-Night, nhà thiên văn học Gregg Hallinan từ Caltech, muốn một kính thiên văn như vậy để thúc đẩy nghiên cứu của mình về hoạt động điện từ xung quanh các ngoại hành tinh, một thước đo tiềm năng về khả năng sinh sống của những thế giới xa xôi này. Bản thân Burns đặc biệt quan tâm đến kỷ nguyên tối vũ trụ, một thời kỳ bắt đầu hơn 13 tỷ năm trước, chỉ 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Vũ trụ non trẻ đã nguội đủ để các nguyên tử hydro trung tính hình thành, chúng đã giữ lại ánh sáng của các ngôi sao và thiên hà. Kỷ nguyên tối kéo dài từ 200 triệu đến 400 triệu năm.
LuSEE-Night sẽ lắng nghe những tín hiệu yếu ớt từ kỷ nguyên tối vũ trụ, một giai đoạn bắt đầu khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, khi các nguyên tử hydro trung tính bắt đầu hình thành, giữ lại ánh sáng của các ngôi sao và thiên hà.
Burns nói: "Đó là một giai đoạn quan trọng trong lịch sử vũ trụ. Nhưng chúng ta không có dữ liệu nào từ nó cả".
Vấn đề là các tín hiệu vô tuyến còn sót lại từ kỷ nguyên này rất yếu và dễ dàng bị lấn át bởi nhiễu gần hơn – đặc biệt là các mạng lưới thông tin liên lạc, lưới điện, radar của Trái Đất, v.v. Mặt Trời cũng góp phần gây nhiễu. Hơn nữa, những tín hiệu sơ khai này đã bị dịch chuyển đỏ đáng kể do sự giãn nở của vũ trụ, bước sóng của chúng bị kéo dài khi các nguồn của chúng di chuyển ra xa chúng ta trong hàng tỷ năm. Ví dụ quan trọng nhất là hydro trung tính, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, khi bị kích thích trong phòng thí nghiệm sẽ phát ra tín hiệu vô tuyến có bước sóng 21 cm. Thật vậy, chỉ với một số thiết bị đơn giản, bạn có thể dễ dàng phát hiện hydro trung tính trong các đám mây khí thiên hà gần đó với bước sóng gần đó, tương ứng với tần số 1,42 GHz. Nhưng nếu tín hiệu hydro bắt nguồn từ kỷ nguyên tối, 21 cm đó sẽ kéo dài thành hàng chục mét. Điều đó có nghĩa là các nhà khoa học cần lắng nghe các tần số dưới 50 MHz – những phần của phổ vô tuyến mà tầng điện ly của Trái Đất chặn phần lớn.
Đó là lý do tại sao mặt tối của Mặt Trăng lại hấp dẫn đến vậy. Nó có thể là nơi yên tĩnh nhất trong hệ mặt trời bên trong.
David DeBoer, nhà thiên văn học nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley, nói: "Nó thực sự là nơi duy nhất trong hệ mặt trời không bao giờ đối mặt với Trái Đất. Nó thực sự là một nơi tuyệt vời, độc đáo".
Đối với thiên văn vô tuyến, mọi thứ còn tốt hơn trong đêm Mặt Trăng, khi Mặt Trời lặn xuống dưới đường chân trời và bị khối lượng của Mặt Trăng che khuất. Trong tối đa 14 ngày Trái Đất liên tục, một điểm trên mặt tối của Mặt Trăng yên tĩnh về mặt điện từ gần như bất kỳ nơi nào trong hệ mặt trời bên trong. Không có bức xạ từ Mặt Trời, không có tín hiệu gây nhiễu từ Trái Đất. Có thể có tín hiệu từ một vài tàu thăm dò không gian xa xôi, nhưng nếu không, lý tưởng nhất là ăng-ten của bạn chỉ nghe thấy tiếng ồn thô của vũ trụ.
Hallinan của Caltech giải thích: "Khi bạn xuống đến những tần số vô tuyến rất thấp đó, có một nguồn nhiễu xuất hiện liên quan đến gió mặt trời". Gió mặt trời là dòng hạt tích điện không ngừng di chuyển từ Mặt Trời. "Và vị trí duy nhất mà bạn có thể thoát khỏi điều đó trong phạm vi một tỷ km từ Trái Đất là trên bề mặt Mặt Trăng, ở phía ban đêm. Gió mặt trời thổi qua nó, và bạn có một khoang nơi bạn có thể ẩn mình khỏi tiếng ồn đó".
**LuSEE-Night hoạt động như thế nào?**
Bộ thu của LuSEE-Night trông có vẻ đơn giản, mặc dù thực sự không có gì đơn giản về nó cả. Phía trên là hai ăng-ten lưỡng cực, mỗi cái gồm hai thanh có thể gập lại hướng về hai phía đối diện. Các ăng-ten lưỡng cực được gắn vuông góc với nhau trên một bàn xoay nhỏ, tạo thành hình chữ X khi nhìn từ trên xuống. Mỗi ăng-ten lưỡng cực kéo dài khoảng 6 mét. Bàn xoay nằm trên một hộp thiết bị hỗ trợ có thể tích nhỏ hơn 1 mét khối; khoang thiết bị này lại nằm trên tàu đổ bộ Blue Ghost 2, một tàu vũ trụ hình hộp cao khoảng 2 mét.
LuSEE-Night đang được lắp ráp cuối cùng tại Phòng thí nghiệm Khoa học Vũ trụ tại Đại học California, Berkeley, và thử nghiệm tại Firefly Aerospace bên ngoài Austin, Texas.
Stuart Bale, nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, đồng thời là điều tra viên chính của NASA cho dự án, nói: "Đó là một thiết bị tuyệt đẹp. Chúng ta thậm chí còn không biết bầu trời vô tuyến trông như thế nào ở những tần số này khi không có Mặt Trời. Mình nghĩ đó là điều mà LuSEE-Night sẽ mang lại cho chúng ta".
Thiết bị này được thiết kế để đáp ứng một số nhu cầu không tương thích: Nó phải đủ nhạy để phát hiện các tín hiệu rất yếu từ không gian sâu; đủ bền để chịu được môi trường khắc nghiệt của Mặt Trăng; và đủ yên tĩnh để không gây nhiễu cho các quan sát của chính nó, nhưng đủ lớn để liên lạc với Trái Đất qua vệ tinh chuyển tiếp khi cần. Ngoài ra, thiết bị phải tuân thủ ngân sách khoảng 40 triệu USD (tương đương khoảng 1,016 tỷ VNĐ) và không nặng quá 120 kg. Kế hoạch nhiệm vụ kêu gọi hai năm hoạt động.
Các ăng-ten được làm bằng hợp kim đồng berili, được chọn vì độ dẫn điện cao và độ ổn định khi nhiệt độ Mặt Trăng giảm hoặc tăng tới 250 °C mỗi khi Mặt Trời mọc hoặc lặn. LuSEE-Night sẽ thực hiện các phép đo điện áp chính xác của các tín hiệu mà nó nhận được, sử dụng một transistor hiệu ứng trường nối có trở kháng cao để hoạt động như một bộ khuếch đại cho mỗi ăng-ten. Các tín hiệu sau đó được đưa vào một máy quang phổ – thiết bị khoa học chính – đọc các điện áp đó ở tốc độ 102,4 triệu mẫu mỗi giây. Tốc độ đọc cao đó nhằm ngăn chặn sự phóng đại của bất kỳ lỗi nào khi các tín hiệu yếu được khuếch đại. Các nhà khoa học tin rằng một dấu hiệu của kỷ nguyên tối vũ trụ sẽ yếu hơn 5 đến 6 bậc độ lớn so với các tín hiệu khác mà LuSEE-Night sẽ ghi lại.
Bàn xoay có tác dụng giúp đặc trưng hóa các tín hiệu mà ăng-ten nhận được, để, trong số những thứ khác, một dấu hiệu kỷ nguyên tối cổ đại có thể được phân biệt với các tín hiệu gần hơn, mới hơn từ, chẳng hạn, các thiên hà hoặc các đám mây khí giữa các vì sao. Dữ liệu từ vũ trụ sơ khai phải gần như đẳng hướng, nghĩa là nó đến từ khắp nơi trên bầu trời, bất kể hướng của ăng-ten. Các tín hiệu mới hơn có nhiều khả năng đến từ một hướng cụ thể. Do đó, bàn xoay: Nếu bạn thu thập dữ liệu trong suốt một đêm Mặt Trăng, sau đó định hướng lại ăng-ten và lắng nghe lại, bạn sẽ có thể phân biệt tốt hơn giữa cái xa và cái rất, rất xa.
Vậy đâu là điểm hạ cánh lý tưởng trên Mặt Trăng nếu bạn muốn thực hiện những phép đo như vậy? Một nơi gần như đối diện Trái Đất nhất có thể, trên một đồng bằng phẳng. Điều này không dễ tìm thấy trên mặt tối gồ ghề của Mặt Trăng, nhưng các nhà hoạch định nhiệm vụ đã nghiên cứu kỹ các bản đồ do vệ tinh Mặt Trăng tạo ra và chọn một vị trí đắc địa cách xích đạo Mặt Trăng khoảng 24 độ về phía nam.
Các kính thiên văn Mặt Trăng khác đã được đề xuất đặt trong các miệng hố bị che khuất vĩnh viễn gần cực nam của Mặt Trăng, ngay phía trên đường chân trời khi nhìn từ Trái Đất. Những miệng hố như vậy được thèm muốn vì lượng nước đá mà chúng có thể chứa, và nhiệt độ thấp trong đó (dưới -240 °C) rất tốt nếu bạn đang thực hiện thiên văn hồng ngoại và cần giữ cho các thiết bị của mình lạnh. Nhưng vị trí này rất tệ nếu bạn đang làm việc với sóng vô tuyến dài.
Leon Koopmans từ Đại học Groningen ở Hà Lan, cho biết trong một email: "Ngay cả bên trong những miệng hố như vậy cũng khó che chắn khỏi các tín hiệu nhiễu tần số vô tuyến (RFI) từ Trái Đất. Chúng khúc xạ ra khỏi vành miệng hố và thường, do bước sóng dài của chúng, đơn giản là xuyên thẳng qua vành miệng hố".
RFI là một vấn đề lớn – và đôi khi gây khó chịu – đối với các thiết bị nhạy cảm. Lần hạ cánh đầu tiên lên mặt tối của Mặt Trăng là của tàu vũ trụ Chang’e 4 của Trung Quốc, vào năm 2019. Nó mang theo một máy quang phổ vô tuyến tần số thấp, cùng với các thí nghiệm khác. Nhưng nó đã không trả về kết quả có ý nghĩa, các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết, chủ yếu là do nhiễu từ chính tàu vũ trụ.
**Sự ra đời tình cờ của Thiên văn vô tuyến**
Đôi khi, một chút nhiễu lại làm nên lịch sử. Ở đây, chúng ta nên dừng lại một chút để nhớ về Karl Jansky, người được coi là cha đẻ của thiên văn vô tuyến. Năm 1928, anh ấy là một kỹ sư trẻ tại Bell Telephone Laboratories ở Holmdel, N.J., được giao nhiệm vụ cô lập các nguồn nhiễu tĩnh trong các cuộc gọi điện thoại xuyên Đại Tây Dương sóng ngắn. Hai năm sau, anh ấy đã chế tạo một ăng-ten định hướng dài 30 mét, chủ yếu bằng đồng thau và gỗ, và sau khi tính đến các cơn bão và những thứ tương tự, vẫn còn tiếng ồn mà anh ấy không thể giải thích. Lúc đầu, cường độ của nó dường như tuân theo một chu kỳ hàng ngày, tăng và giảm cùng với Mặt Trời. Nhưng sau vài tháng quan sát, Mặt Trời và tiếng ồn đã lệch pha nghiêm trọng.
Năm 1930, Karl Jansky, một kỹ sư của Bell Labs ở Holmdel, N.J., đã chế tạo ăng-ten quay trên bánh xe này để xác định các nguồn nhiễu tĩnh cho thông tin liên lạc vô tuyến.
Dần dần, rõ ràng là chu kỳ của tiếng ồn không phải là 24 giờ; mà là 23 giờ 56 phút – thời gian Trái Đất quay một vòng so với các ngôi sao. Nhiễu mạnh nhất dường như đến từ hướng chòm sao Nhân Mã, mà thiên văn học quang học cho rằng đó là trung tâm của Dải Ngân Hà. Năm 1933, Jansky đã xuất bản một bài báo trên Proceedings of the Institute of Radio Engineers với tiêu đề đầy khiêu khích: "Các nhiễu loạn điện rõ ràng có nguồn gốc ngoài Trái Đất". Anh ấy đã mở ra phổ điện từ cho các nhà thiên văn học, mặc dù anh ấy chưa bao giờ tự mình theo đuổi thiên văn vô tuyến. Nhiễu mà anh ấy đã định nghĩa, đối với anh ấy, là "tiếng ồn sao".
Ba mươi hai năm sau, hai nhà khoa học khác của Bell Labs, Arno Penzias và Robert Wilson, cũng gặp phải một số nhiễu của riêng họ. Năm 1965, họ đang cố gắng điều chỉnh một ăng-ten hình sừng ở Holmdel cho thiên văn vô tuyến – nhưng có một tiếng rít, trong dải vi sóng, đến từ khắp nơi trên bầu trời. Họ không biết đó là gì. Họ loại trừ nhiễu từ Thành phố New York, không xa về phía bắc. Họ nối lại bộ thu. Họ dọn dẹp phân chim trong ăng-ten. Không có gì hiệu quả.
Vào những năm 1960, Arno Penzias và Robert W. Wilson đã sử dụng ăng-ten hình sừng này ở Holmdel, N.J., để phát hiện các tín hiệu yếu từ Vụ Nổ Lớn.
Trong khi đó, cách đó một giờ lái xe, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Princeton dưới sự chỉ đạo của Robert Dicke đang cố gắng tìm bằng chứng về Vụ Nổ Lớn đã khai sinh vũ trụ 13,8 tỷ năm trước. Họ đưa ra giả thuyết rằng nó sẽ để lại một tiếng rít, trong dải vi sóng, đến từ khắp nơi trên bầu trời. Họ đã bắt đầu chế tạo một ăng-ten. Sau đó, Dicke nhận được một cuộc điện thoại từ Penzias và Wilson, tìm kiếm sự giúp đỡ. "Chà, các chàng trai, chúng ta đã bị vượt mặt rồi", ông ấy nổi tiếng nói khi cuộc gọi kết thúc. Penzias và Wilson đã vô tình tìm thấy bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), bức xạ còn sót lại từ Vụ Nổ Lớn.
Burns và các đồng nghiệp của anh ấy là những người kế thừa theo nghĩa bóng của Jansky, Penzias và Wilson. Các nhà nghiên cứu gợi ý rằng dấu hiệu đặc trưng của kỷ nguyên tối vũ trụ có thể là một sự sụt giảm nhỏ trong CMB. Họ đưa ra giả thuyết rằng hydro kỷ nguyên tối có thể được phát hiện chỉ vì nó đã hấp thụ một chút năng lượng vi sóng từ buổi bình minh của vũ trụ.
**Mặt Trăng là một bà chủ khắc nghiệt**
Kế hoạch cho Blue Ghost Mission 2 là hạ cánh ngay sau khi Mặt Trời mọc tại địa điểm hạ cánh. Điều đó sẽ cho các nhà quản lý nhiệm vụ hai tuần để kiểm tra tàu vũ trụ, chụp ảnh, thực hiện các thí nghiệm khác mà Blue Ghost mang theo và sạc bộ pin của LuSEE-Night bằng các tấm quang điện của nó. Sau đó, khi hoàng hôn địa phương đến, họ sẽ tắt mọi thứ ngoại trừ bộ thu LuSEE-Night và một số hệ thống hỗ trợ tối thiểu.
LuSEE-Night sẽ hạ cánh tại một địa điểm cách xích đạo Mặt Trăng khoảng 25 độ về phía nam và đối diện với trung tâm mặt của Mặt Trăng khi nhìn từ Trái Đất. Mặt tối của Mặt Trăng là lý tưởng cho thiên văn vô tuyến vì nó được che chắn khỏi gió mặt trời cũng như các tín hiệu từ Trái Đất.
Ở đó, trong sự tĩnh lặng điện từ đóng băng, nó sẽ quét phổ từ 0,1 đến 50 MHz, thu thập dữ liệu để lập bản đồ tần số thấp của bầu trời – có thể bao gồm cả dấu hiệu hấp dẫn đầu tiên của kỷ nguyên tối.
Burns nói: "Sẽ rất khó khăn với thiết bị đó. Nhưng chúng ta có một số kỹ thuật phần cứng và phần mềm mà... chúng ta hy vọng sẽ cho phép chúng ta phát hiện cái gọi là tín hiệu toàn cầu hoặc toàn bầu trời... Về nguyên tắc, chúng ta có độ nhạy cần thiết". Họ sẽ lắng nghe và lắng nghe lại trong suốt nhiệm vụ. Đó là, nếu thiết bị của họ không bị đóng băng hoặc cháy trước.
Một nhiệm vụ chính của LuSEE-Night là bảo vệ các thiết bị điện tử vận hành nó. Nhiệt độ khắc nghiệt là vấn đề lớn nhất. Các hệ thống có thể được gia cố chống lại bức xạ vũ trụ, và một tàu vũ trụ chắc chắn sẽ có thể xử lý các áp lực khi phóng, bay và hạ cánh. Nhưng làm thế nào để chế tạo nó bền bỉ khi nhiệt độ dao động từ 120 đến -130 °C? Với nhiều lớp cách nhiệt? Máy sưởi điện để giảm lạnh ban đêm?
Burns nói: "Tất cả những điều trên". Để loại bỏ nhiệt ban ngày, sẽ có một tấm tản nhiệt parabol đa ô ở bên ngoài khoang thiết bị. Để giữ ấm vào ban đêm, sẽ có nguồn pin – rất nhiều pin. Trong tổng khối lượng phóng 108 kg của LuSEE-Night, khoảng 38 kg là bộ pin lithium-ion với dung lượng 7.160 Wh, chủ yếu để tạo nhiệt. Các tế bào pin sẽ sạc lại bằng quang điện sau khi Mặt Trời mọc. Máy quang phổ quan trọng đã được lập trình để tắt định kỳ trong hai tuần bóng tối, để trạng thái sạc của pin không giảm xuống dưới 8%; thà mất một ít thời gian quan sát còn hơn mất toàn bộ thiết bị và không thể hồi sinh nó.
**Thiên văn vô tuyến Mặt Trăng cho chặng đường dài**
Và nếu không thể hồi sinh nó thì sao? Burns đã trải qua điều đó trước đây. Năm 2024, anh ấy bất lực chứng kiến Odysseus, tàu đổ bộ Mặt Trăng đầu tiên do Mỹ chế tạo trong 50 năm, hạ cánh – và sau đó im lặng trong 15 phút đau khổ cho đến khi các bộ điều khiển ở Texas nhận ra rằng họ chỉ nhận được những tiếng ping không thường xuyên thay vì dữ liệu chi tiết. Odysseus đã hạ cánh mạnh, gãy một chân và cuối cùng nằm nghiêng.
ROLSES-1, được hiển thị ở đây bên trong tên lửa SpaceX Falcon 9, là kính thiên văn vô tuyến đầu tiên hạ cánh trên Mặt Trăng, vào tháng 2 năm 2024. Trong một cuộc hạ cánh khó khăn, một chân đã bị gãy, khiến kính thiên văn khó gửi dữ liệu về Trái Đất.
Là một phần của hàng hóa khoa học, Odysseus mang theo ROLSES-1 (Radiowave Observations on the Lunar Surface of the photo-Electron Sheath), một thí nghiệm mà Burns và một người bạn đã đề xuất với NASA nhiều năm trước. Nó một phần là thử nghiệm công nghệ, một phần để nghiên cứu các tương tác phức tạp giữa ánh sáng mặt trời, bức xạ và đất Mặt Trăng – đôi khi có đủ điện tích trong đất khiến các hạt bụi bay lơ lửng trên bề mặt Mặt Trăng, điều này có thể gây nhiễu các quan sát vô tuyến. Nhưng Odysseus đã bị hư hại nặng đến mức thay vì một tuần dữ liệu, ROLSES chỉ nhận được 2 giờ, hầu hết được ghi lại trước khi hạ cánh. Một sinh viên tốt nghiệp làm việc với Burns, Joshua Hibbard, đã cố gắng cứu vãn một phần thí nghiệm và chứng minh rằng ROLSES đã hoạt động: Ẩn trong dữ liệu thô của nó là các tín hiệu từ Trái Đất và Dải Ngân Hà.
Burns nói sau đó: "Đó là một trải nghiệm kinh hoàng, và mình đã nói với các sinh viên và bạn bè rằng mình không muốn là người đầu tiên trên một tàu đổ bộ nữa. Mình muốn là người thứ hai, để chúng ta có cơ hội thành công lớn hơn". Anh ấy nói rằng anh ấy cảm thấy tốt về việc LuSEE-Night tham gia nhiệm vụ Blue Ghost 2, đặc biệt là sau cuộc hạ cánh thành công của Blue Ghost 1. Trong khi đó, thí nghiệm ROLSES sẽ có cơ hội thứ hai: ROLSES-2 đã được lên lịch bay trên Blue Ghost Mission 3, có lẽ vào năm 2028.
Kế hoạch của NASA cho mảng kính thiên văn vô tuyến Mặt Trăng FarView Observatory, được hiển thị trong một bản vẽ của nghệ sĩ, kêu gọi 100.000 ăng-ten lưỡng cực được trải rộng trên 200 km².
Nếu LuSEE-Night thành công, nó chắc chắn sẽ đặt ra những câu hỏi đòi hỏi những kính thiên văn vô tuyến tham vọng hơn nhiều. Burns, Hallinan và những người khác đã nhận được tài trợ ban đầu của NASA cho một mảng giao thoa khổng lồ trên Mặt Trăng có tên FarView. Nó sẽ bao gồm một mạng lưới 100.000 nút ăng-ten trải rộng trên 200 km², được làm bằng nhôm chiết xuất từ đất Mặt Trăng. Họ nói rằng việc lắp ráp có thể bắt đầu sớm nhất là vào những năm 2030, mặc dù thực tế chính trị và ngân sách có thể cản trở.
Trong suốt chặng đường đó, Burns đã nhẹ nhàng thúc đẩy, khuyến khích và vận động, ủng hộ một đài quan sát Mặt Trăng qua nhiệm kỳ của mười quản trị viên NASA và bảy tổng thống Hoa Kỳ. Anh ấy có lẽ đã học được nhiều về chính trị Washington hơn anh ấy từng muốn. Các tổng thống Mỹ có thói quen đảo ngược các ưu tiên không gian của những người tiền nhiệm, vì vậy các nhiệm vụ đôi khi đã tiến hành hết sức, sau đó lại bị đình trệ trong nhiều năm. Với việc LuSEE-Night cuối cùng cũng chuẩn bị phóng, Burns đôi khi tỏ ra phấn khởi: "Cứ nghĩ mà xem. Chúng ta thực sự sẽ làm vũ trụ học từ Mặt Trăng". Những lúc khác, anh ấy thẳng thắn: "Mình chưa bao giờ nghĩ – không ai trong chúng ta nghĩ – rằng sẽ mất 40 năm".
Burns nói: "Giống như bất cứ điều gì trong khoa học, không có gì đảm bảo cả. Nhưng chúng ta cần phải tìm kiếm".
