Auf der Suche nach uralten Radiowellen: Teleskop für die dunkle Seite des Mondes

Bislang war es nicht möglich, große Teile der Radioemissionen unseres Universums zu kartieren, weil die Erde zu viele Störungen versursacht. Das soll sich ab 2025 ändern. Astronomen arbeiten gerade im Zuge der LuSEE Night-Mission an einem Teleskop, das auf der Rückseite des Mondes installiert werden soll. Damit wollen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die schwachen Signale aus dem Dunklen Zeitalter des Universums auffangen. Damals entstanden die ersten Sterne.

Warum die Rückseite des Mondes der beste Platz für ein Teleskop ist

Der Mond umkreist die Erde in einer gebundenen Rotation, so dass wir stets nur die eine Seite des Erdsatelliten zu Gesicht bekommen. Die Rückseite bleibt uns von der Erde aus verborgen, weshalb sie mitunter auch als „dunkle Seite des Mondes“ bezeichnet wird. Dunkel ist es dort allerdings nicht durchgängig. Vielmehr folgen auf 14 Tage totaler Dunkelheit mit Temperaturen von bis zu minus 160 Grad Celsius 14 Tage brutales Sonnenlicht und Temperaturen von etwa plus 130 Grad Celsius.

Das ist jedoch nicht der Grund, warum die Rückseite des Mondes der ideale Platz für ein Teleskop ist. Vielmehr geht es darum, dass auf der Rückseite kaum bis gar keine irdische Strahlung mehr zu messen ist. Was Teleskope dort an Strahlung einfangen, stammt daher nicht von der Erde, sondern aus den Weiten des Kosmos. Auf der Vorderseite des Mondes würden niederfrequente Radiowellen, die wir für die Kommunikation und die Radarsuche nutzen, die kosmischen Quellen überdecken.

Auf der Rückseite des Mondes besteht lediglich das Problem, dass auch die Sonne bei diesen Frequenzen recht starke Funksignale aussendet. Das lässt sich jedoch umgehen, wenn die künftigen Teleskope auf dem Mond nur tätig werden, wenn es dort Nacht ist. Die Rückseite des Mondes ist also in Dunkelheit gehüllt. Eine Übertragung der aufgefangenen Daten kann über Raumsonden im Mondorbit erfolgen, die als Relaisstationen fungieren. Eine Direktübertragung ist nicht möglich.

Harsche Bedingungen auf dem Mond sind eine große Herausforderung

Bevor das erste Teleskop auf der Rückseite des Mondes an den Start gehen kann, sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Insbesondere die harschen Bedingungen sind für das Team von LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night) ein Problem. Zu den extremen Temperaturschwankungen gesellen sich noch die kosmischen Strahlen, die die sensible Technik schädigen könnte. Das Team wird aus NASA-Mitarbeitenden sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der US-Nationallaboratorien gebildet, insbesondere dem Brookhaven National Laboratory (BNL).

„Der Mond ist zwar leichter zu erreichen als der Mars, aber alles andere ist eine echte Herausforderung“, erklärt Paul O’Connor vom BNL. Es gibt einen Grund dafür, dass in den letzten 50 Jahren nur ein Roboter-Rover auf dem Mond gelandet ist, während sechs auf dem Mars gelandet sind, der 100-mal weiter entfernt ist. Dort herrscht ein Vakuum, was die Wärmeabfuhr erschwert, und es gibt eine Menge Strahlung.“ Die Mission fängt daher erst einmal klein an. Im ersten Schritt soll LuSEE Night, eine kleine Radioantenne und ein Instrumentenpaket, im Jahr 2025 auf den Mond gebracht werden. Sollte sie ein Erfolg werden, sind weitere Observatorien und Missionen auf die Mondrückseite geplant.

Das ist LuSEE-Night: Das Radioteleskop für den Mond

Das LuSEE-Night-Teleskop besteht aus vier langen Antennen, die auf einem drehbaren Sockel angebracht sind. Jede dieser Antennen ist rund drei Meter lang. Nach dem Aussetzen des Teleskops auf der Mondoberfläche im Zuge des kommerziellen NASA-Programms, werden die Antennen ausgeklappt. Tagsüber erhalten die Instrumente Strom über Solarzellen, während der Mondnacht von Batterien. Doch das ist gar nicht so einfach:

„Der Strom muss von einer Batterie kommen, die aufgrund ihrer Größe nur eine bestimmte Effizienz aufweisen kann“, so O’Connor. „Leistungsstärkere Batterien sind schwerer, und für eine Flugmission zum Mond gibt es eine strenge Massenbegrenzung. Wir müssen sehr sparsam mit der Energie umgehen, die wir zuweisen, und das bringt uns in einen vertrauten Bereich, in dem wir Kompromisse zwischen Leistung und Empfindlichkeit eingehen müssen.“

Auf der Suche nach uralten Radiowellen

Ist das Teleskop erfolgreich auf dem Mond installiert, ist das der erste Schritt zur Erforschung der Dunklen Zeitalter des Universums. Es führt zurück in eine Zeit, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall begann. Damals gab es weder Sterne noch Planeten. Die Radiowellen aus diesem finsteren Zeitalter sind nach wie vor im Weltraum zu hören, allerdings konnten sie bisher noch nie beobachtet werden, weil die Signale durch zahlreiche Radiostörungen auf der Erde übertönt wurden.

Falls es wirklich gelingt, Radiowellen aus dem Dunklen Zeitalter aufzuspüren, könnten diese Antworten auf einige der größten Rätsel des Universums geben. Zum Beispiel über die Natur der dunklen Energie oder die Entstehung des Universums selbst. Bisher ist dieses Zeitalter eine unerforschte Ära der kosmischen Entwicklung, denn selbst leistungsfähige Teleskope wie das James-Web-Teleskop können nur bis ins Zeitalter der ersten Galaxien zurückblicken.

„Die Modellierung des Universums ist einfacher, bevor sich Sterne gebildet haben. Wir können fast alles genau berechnen“, sagt die Brookhavener Physikerin Anže Slosar. „Bisher können wir nur Vorhersagen über frühere Stadien des Universums machen, indem wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund als Maßstab nehmen. Das Dark Ages Signal würde einen neuen Maßstab setzen. Und wenn die Vorhersagen auf der Grundlage der beiden Referenzwerte nicht übereinstimmen, bedeutet das, dass wir eine neue Physik entdeckt haben.“

Ein Traum der Kosmologen könnte Wirklichkeit werden

Bereits seit Jahrzehnten sind Kosmologen auf der ganzen Welt daran interessiert, das Universum von der dunklen Seite des Mondes zu beobachten. Bisherige Versuche, dorthin zu gelangen, sind alle gescheitert. Zu schwierig war bislang diese Mission. Das fing bei den technikfeindlichen Bedingungen auf der Mondoberfläche an und scheiterte ganz einfach auch daran, dass eine Übertragung von Daten zur Erde nicht möglich war. Mit Hilfe von Raumsonden, die über den Mond kreisen, ist das jedoch mittlerweile kein Problem mehr. Etwas Geduld müssen die Forschenden jedoch aufbringen. Ist das Teleskop betriebsbereit, dauert es 40 Tage, bis bis LuSEE-Night seinen ersten Datensatz gesammelt und an einen Relaissatelliten übertragen hat, der mit der Erde kommuniziert. Bis dahin werden sie nicht wissen, ob LuSEE-Night überlebt hat.