Mặt trăng có liên quan gì đến nhiệm vụ tìm hiểu sự khởi đầu của Vũ trụ của chúng ta?
Bạn có thể nghĩ rằng không nhiều lắm, vì Mặt trăng khoảng 4,5 tỷ năm tuổi, trong khi Vũ trụ được cho là 13,8 tỷ năm tuổi.
Nhưng Mặt trăng có một vai trò quan trọng trong một nhánh của vật lý thiên văn với hy vọng mở khóa những bí mật về cách chính xác những ngôi sao đầu tiên hình thành và cách những ngôi sao này phát triển thành các thiên hà hùng vĩ mà chúng ta thấy ngày nay.
Mặt trăng không chỉ là vệ tinh tự nhiên của Trái đất. Bằng cách chặn các tín hiệu vô tuyến thiên hà nền, nó có thể là chìa khóa mở ra những bí mật của Vũ trụ sơ khai.
Ben McKinley là nhà nghiên cứu tại Đại học Curtin ở Perth, Tây Úc, chuyên tìm hiểu cấu trúc và hành vi phức tạp của các thiên hà vô tuyến.
Chúng tôi đã nói chuyện với Ben để tìm hiểu thêm về việc Mặt trăng của chính chúng ta có thể giúp ích như thế nào trong hành trình tìm hiểu thêm về sự tiến hóa của Vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay.
Khi Vũ trụ sơ khai mở rộng và đủ nguội, các proton và electron tạo thành hydro trung tính.
Các ngôi sao và thiên hà đầu tiên sau đó đã ‘tái ion hóa’ hydro – nghĩa là các photon của chúng tương tác với các nguyên tử, khiến các electron tách ra. Đây là kỷ nguyên của tái ion hóa.
Hiđro trung hòa phát ra phôtôn có bước sóng 21cm.
Nhưng kể từ Kỷ nguyên Tái ion hóa, bước sóng của chúng sẽ bị dịch chuyển đỏ (bị kéo dài do sự giãn nở của Vũ trụ) trong khoảng từ một đến ba mét, trong phần vô tuyến của quang phổ điện từ.
Tín hiệu 21 cm dịch chuyển đỏ này trông như thế nào cho chúng ta biết về những ngôi sao và thiên hà đầu tiên đã tái ion hóa hydro.
Mục tiêu này gặp nhiều khó khăn, vì tín hiệu yếu và bị che khuất bởi bức xạ vô tuyến sáng hơn nhiều ở phía trước, đến từ các vật thể như thiên hà vô tuyến và các electron di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong Dải Ngân hà của chúng ta.
Đây là nơi Mặt trăng xuất hiện; nó che khuất bầu trời, cung cấp sự thay đổi cho tín hiệu vô tuyến trung bình bình thường mà chúng tôi đang tìm kiếm.
Nếu chúng ta biết kích thước góc của Mặt trăng và độ sáng của nó là một hàm của tần số hoặc bước sóng, thì chúng ta có thể sử dụng các quan sát từ Mảng trường rộng Murchison – một kính viễn vọng vô tuyến tần số thấp ở Tây Úc – để suy ra tín hiệu nền trung bình ở các tần số khác nhau .
Mặt trăng hoạt động như một tham chiếu đã biết để chúng ta có thể đo nền trung bình của bầu trời.
Mặt khác, mức trung bình toàn cầu là vô hình đối với Mảng trường rộng Murchison, chỉ nhạy cảm với các biến thể góc của tín hiệu.
Về lý thuyết, bất kỳ hình dạng huyền bí nào cũng có thể được sử dụng; Mặt trăng chỉ là một kích thước lý tưởng trên bầu trời và chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi biết độ sáng của nó là một hàm của tần số.
Mảng trường rộng Murchison có thể quan sát Mặt trăng trong khoảng từ 72 MHz đến 230 MHz.
Kính viễn vọng chỉ vào Mặt trăng vào một đêm và vào một đêm tiếp theo vào cùng thời gian thiên văn địa phương, cùng một khu vực đã được quan sát.
Trong lần quan sát thứ hai, Mặt trăng sẽ không ở trong trường nhìn vì nó sẽ di chuyển ra xa do quỹ đạo của nó quanh Trái đất.
Điều này cho phép chúng tôi loại bỏ một bộ ảnh khỏi bộ ảnh kia, loại bỏ phần còn lại của bầu trời một cách hiệu quả và để lại dấu ấn của Mặt trăng.
Các hình ảnh khác nhau sau đó được phân tích để trích xuất bầu trời nền toàn cầu mà Mặt trăng đang che khuất.
Vấn đề chính là chúng ta không thể cho rằng Mặt trăng là một vật thể màu đen [một vật thể hấp thụ bức xạ hoàn hảo] có nhiệt độ không đổi, bởi vì Mặt trăng phản xạ tín hiệu vô tuyến bắt nguồn từ Trái đất xuống kính thiên văn.
Vì vậy, điều xảy ra là bạn có một điểm sáng trong ảnh của mình ở trung tâm của Mặt trăng, vì nó hoạt động giống như một tấm gương.
Đây đặc biệt là một vấn đề giữa các tần số 87MHz và 110MHz.
Tuy nhiên, hóa ra sự phản xạ của ánh sáng mặt trời và sự nóng lên của bề mặt bởi Mặt trời là một hiệu ứng nhỏ hơn nhiều, và vì vậy đối với mục đích của chúng ta, chu kỳ của Mặt trăng không thành vấn đề.
Chúng tôi đã quan sát trong nhiều đêm với tổng thời gian khoảng 250 giờ và chúng tôi vẫn đang trong quá trình phân tích và công bố dữ liệu.
Cho đến nay, chúng ta chỉ có một đêm cho mỗi cặp Mặt trăng đang tắt.
Vì chúng tôi không thể bao phủ toàn bộ dải tần số trong một lần nên chúng tôi cần chia nhỏ các quan sát, sao cho chúng tôi có khoảng 70 phút ‘trên Mặt trăng’ trên mỗi kênh tần số.
Điều này đủ để chứng minh rằng quy trình của chúng tôi đã hoạt động và có thể đo tín hiệu bầu trời tiền cảnh toàn cầu từ Dải Ngân hà – nó sáng hơn khoảng 10.000 lần so với tín hiệu toàn cầu 21 cm dự kiến.
Cuộc phỏng vấn này ban đầu xuất hiện trong số tháng 11 năm 2022 của BBC Sky at Night Magazine .