Mengapa Bahagian Jauh Bulan Sesuai untuk Mendengar Alam Semesta Awal?

Teleskop tidak semestinya menggunakan cahaya yang dapat dilihat oleh mata. Ahli astronomi turut mengkaji gelombang radio yang dipancarkan oleh objek dan gas di angkasa. Namun, bagi astronomi radio frekuensi rendah, iaitu kajian gelombang radio berfrekuensi sangat rendah, Bumi mempunyai dua masalah besar: atmosfera atasnya boleh menghalang isyarat tersebut, dan teknologi manusia memenuhi persekitaran Bumi dengan pelbagai pancaran radio.

Bahagian jauh Bulan menawarkan keadaan yang berbeza. Bulan tidak mempunyai ionosfera tebal seperti Bumi, dan jasad Bulan sendiri boleh berada di antara teleskop dengan Bumi lalu mengadang banyak gangguan radio buatan manusia.

Bumi mempunyai “pengadang” semula jadi

Gelombang radio ialah sebahagian daripada spektrum elektromagnet, sama seperti cahaya tampak, inframerah, ultraungu dan sinar-X. Perbezaannya ialah panjang gelombang dan frekuensinya. Sesetengah gelombang radio dari angkasa dapat menembusi atmosfera Bumi dan diterima dengan baik oleh teleskop radio di darat. Namun, apabila frekuensinya menjadi sangat rendah, lapisan atmosfera atas yang mengandungi zarah bercas, iaitu ionosfera, mula menjadi penghalang penting.

Bagi frekuensi di bawah kira-kira 30 MHz, kesan ionosfera semakin menyukarkan pemerhatian astronomi dari permukaan Bumi. Ionosfera boleh membiaskan, memantulkan atau menyerap gelombang radio, dan pada frekuensi yang paling rendah, kira-kira 10 MHz ke bawah, ia boleh menjadi hampir legap sehingga pemerhatian dari darat mustahil. Kesan ionosfera bukan sekadar “awan” yang menutup pandangan. Gelombang radio berinteraksi dengan elektron bebas dalam plasma ionosfera, dan sama ada sesuatu gelombang dapat merambat melaluinya bergantung pada frekuensi dan keadaan plasma. Oleh itu, nilai sekitar 30 MHz patut difahami sebagai julat praktikal, bukannya sempadan mutlak yang tidak pernah berubah.

Gangguan yang kita hasilkan sendiri

Walaupun atmosfera telus pada sesuatu frekuensi, ahli astronomi masih menghadapi masalah kedua, iaitu gangguan frekuensi radio. Pemancar radio, sistem komunikasi, peralatan elektronik dan pelbagai teknologi manusia menghasilkan isyarat radio. Bagi kehidupan moden, isyarat itu berguna. Bagi ahli astronomi yang cuba mengesan isyarat kosmik yang amat lemah, ia boleh menjadi bunyi latar yang menenggelamkan sasaran.

Menempatkan balai cerap di kawasan terpencil di Bumi dapat mengurangkan gangguan tempatan, tetapi tidak menghapuskan masalah ionosfera dan tidak semestinya mengasingkan instrumen daripada semua sumber radio buatan manusia. Bahagian jauh Bulan memberikan penyelesaian yang jauh lebih drastik, iaitu meletakkan seluruh Bulan di antara antena dengan Bumi. Jasad batuan Bulan menjadi pengadang fizikal terhadap pancaran radio yang datang secara langsung dari arah Bumi. NASA menyifatkan bahagian jauh Bulan sebagai satu-satunya tempat yang diketahui dalam Sistem Suria yang sentiasa terlindung secara geometri daripada hingar radio Bumi.

“Bahagian jauh” bukan “bahagian gelap”

Bahagian jauh Bulan kadangkala tersilap dipanggil “bahagian gelap Bulan”, dan istilah itu mengelirukan. Bulan terkunci pasang surut dengan Bumi, maka hemisfera yang sama sentiasa menghadap kita. Hemisfera yang bertentangan dipanggil bahagian jauh kerana kebanyakannya tidak dapat dilihat terus dari Bumi. Namun, kedua-dua hemisfera menerima cahaya Matahari sepanjang kitaran siang dan malam Bulan.

Perkara ini penting untuk astronomi radio. Bahagian jauh terlindung daripada Bumi sepanjang masa, tetapi ia tidak sentiasa terlindung daripada Matahari, sedangkan Matahari sendiri ialah sumber radio yang kuat. Keadaan paling senyap berlaku semasa malam Bulan di bahagian jauh, apabila Bulan bukan sahaja menghalang Bumi tetapi juga berada di antara instrumen dengan Matahari. NASA menyatakan bahawa keadaan ini boleh mengasingkan teleskop daripada gangguan Bumi serta hingar radio Matahari.

Apakah yang mahu didengar?

Salah satu sasaran paling menarik ialah zaman kosmik yang dikenali sebagai Zaman Gelap kosmik. Selepas alam semesta awal cukup sejuk untuk membentuk atom neutral, tetapi sebelum bintang pertama menerangi kosmos, sebahagian besar bahan biasa wujud sebagai gas hidrogen neutral. Tempoh ini amat sukar dikaji kerana belum ada bintang dan galaksi bercahaya seperti yang dapat diperhatikan pada zaman kemudian.

Hidrogen neutral mempunyai peralihan atom yang dalam keadaan setempat menghasilkan gelombang radio dengan panjang gelombang kira-kira 21 sentimeter, atau frekuensi sekitar 1420 MHz. Namun, alam semesta berkembang, dan cahaya serta gelombang radio yang bergerak merentasinya turut diregangkan bersama pengembangan ruang. Apabila gelombang daripada hidrogen yang sangat jauh tiba kepada kita, panjang gelombangnya menjadi jauh lebih panjang dan frekuensinya lebih rendah. Fenomena ini dipanggil anjakan merah kosmologi.

Bagi hidrogen daripada Zaman Gelap yang sangat awal, isyarat 21 cm yang teranjak merah dijangka muncul pada frekuensi rendah, termasuk julat yang amat sukar dicerap dari permukaan Bumi. LuSEE-Night direka sebagai eksperimen perintis untuk mengukur persekitaran radio bahagian jauh Bulan dan menyiasat julat di bawah kira-kira 50 MHz.

Teleskop radio tidak semestinya berbentuk pinggan besar

Untuk menerima gelombang radio, instrumen mesti mempunyai antena yang sesuai dengan julat frekuensi sasaran. Pada frekuensi rendah, panjang gelombang boleh mencapai puluhan meter, maka antena atau susunan antena yang diperlukan boleh menjadi sangat besar. Ini salah satu sebab cadangan balai cerap Bulan mengambil bentuk yang luar biasa.

Konsep Lunar Crater Radio Telescope NASA, misalnya, mengkaji kemungkinan menggunakan kawah di bahagian jauh Bulan untuk menyokong pemantul jejaring wayar berskala ratusan meter. Reka bentuk yang dikaji dalam laporan fasa lanjut mencadangkan pemantul kira-kira 350 meter dalam kawah berdiameter sekitar 1.3 kilometer. Ia masih konsep, bukannya teleskop yang sudah dibina. Konsep lain, FarView, membayangkan susunan sehingga 100,000 antena dwikutub yang tersebar di kawasan sekitar 200 kilometer persegi bagi pemerhatian 5 hingga 40 MHz. FarView juga merupakan konsep pembangunan, bukan balai cerap operasi. Kedua-duanya menunjukkan bahawa teleskop radio boleh berupa jejaring atau susunan antena yang sangat luas, bukannya satu tiub seperti teleskop optik.

Tempat yang senyap tetap mempunyai cabaran

Bahagian jauh Bulan tidak menjadikan pengukuran mudah secara automatik. Isyarat kosmologi sasaran sangat lemah berbanding pancaran radio daripada galaksi kita sendiri, dan instrumen juga menghasilkan hingar elektroniknya sendiri. Permukaan Bulan mengalami perubahan suhu yang besar antara siang dengan malam, sementara malam Bulan berlangsung kira-kira dua minggu Bumi. Sistem yang bekerja pada waktu itu perlu mempunyai tenaga tersimpan dan kawalan haba yang mencukupi.

Komunikasi juga menjadi cabaran. Oleh sebab bahagian jauh tidak mempunyai garis pandang terus ke Bumi, data biasanya memerlukan satelit geganti atau sistem komunikasi lain untuk dihantar pulang. Tambahan pula, “sunyi radio” bukan sifat yang boleh dianggap kekal. Semakin banyak pemancar, kapal angkasa dan aktiviti manusia ditempatkan berhampiran Bulan, semakin penting kawalan gangguan radio supaya kelebihan saintifik kawasan ini tidak rosak.

Bagaimanakah kita tahu bahagian jauh Bulan mempunyai kelebihan ini?