CosmoCube: Vệ tinh nhỏ giải mã kỷ nguyên tăm tối của vũ trụ

Khoảng 13,5 tỷ năm trước, trước khi những ngôi sao đầu tiên được hình thành, vũ trụ trải qua một thời kỳ được gọi là kỷ nguyên tăm tối kéo dài khoảng 150 triệu năm. Để vén màn bí ẩn này, các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge đã phát triển CosmoCube, một vệ tinh có kích thước chỉ bằng một chiếc vali, với mục tiêu thực hiện những phép đo radio siêu nhạy từ phía xa của Mặt trăng. Dự án này đại diện cho một cách tiếp cận tinh gọn trong thám hiểm không gian, nhằm mục đích giải mã những chương sớm nhất và ít được hiểu biết nhất trong lịch sử vũ trụ bằng công nghệ hiện đại. [1]

Tìm kiếm tín hiệu từ vạch 21 cm

Tâm điểm của sứ mệnh là dò tìm tín hiệu hydro nguyên thủy, được giới khoa học gọi là 'vạch 21 cm'. Đây là bức xạ đặc thù phát ra từ các nguyên tử hydro tồn tại trong khoảng thời gian giữa dư chấn của vụ nổ Big Bang và thời điểm các ngôi sao đầu tiên bắt đầu quá trình phản ứng hạt nhân, được gọi là thời kỳ Bình minh Vũ trụ. Vì chưa từng được quan sát trực tiếp, tín hiệu này được kỳ vọng sẽ cung cấp cái nhìn chân thực về sự chuyển dịch của vũ trụ từ trạng thái trống rỗng sang một không gian đầy sao và thiên hà như hiện nay. [1]

Để đạt được mục tiêu này, CosmoCube sẽ quan sát các tần số radio nằm trong dải từ 10 đến 50 MHz. Đây là những tần số thường không thể tiếp cận được từ các kính thiên văn đặt trên Trái Đất, vốn chủ yếu hoạt động ở những dải tần cao hơn hoặc bị ảnh hưởng nặng nề bởi bầu khí quyển và nhiễu sóng từ các hoạt động của con người trên mặt đất. [1]

Mặt trăng như một lá chắn radio tự nhiên

Việc thu nhận tín hiệu từ Trái Đất là điều gần như không thể do tầng điện ly cản trở các tần số thấp, cùng với nhiễu sóng từ các hoạt động viễn thông, truyền hình và vệ tinh hiện đại. CosmoCube tận dụng mặt sau của Mặt trăng như một bức tường chắn tiếng ồn điện từ từ Trái Đất. Trong mỗi chu kỳ quỹ đạo 2 giờ, vệ tinh sẽ nằm phía sau Mặt trăng khoảng 40 phút, tạo ra một môi trường tĩnh lặng lý tưởng để lắng nghe vũ trụ. [1]

Theo các nhà nghiên cứu, khu vực phía sau Mặt trăng là địa điểm duy nhất cho phép quan sát không gian mà không bị nhiễu loạn bởi tín hiệu radio từ Trái Đất. Dự kiến trong sứ mệnh kéo dài hai năm, nhóm dự án hy vọng sẽ thu thập được khoảng 1.000 giờ quan sát quý giá tại một trong những khu vực cuối cùng của vũ trụ chưa được khám phá sâu sắc. [1]

Vai trò của vật chất tối trong hình thành thiên hà

Ngoài việc nghiên cứu kỷ nguyên tăm tối, dữ liệu từ vệ tinh được kỳ vọng sẽ làm sáng tỏ ảnh hưởng của vật chất tối. Dù vật chất tối không thể quan sát trực tiếp, tác động hấp dẫn của nó được cho là đóng vai trò then chốt trong việc liên kết các đám mây hydro để hình thành nên những cấu trúc đầu tiên trong vũ trụ. [1]

Giáo sư Eloy de Lera Acedo, trưởng nhóm nghiên cứu, nhận định rằng bức xạ phát ra từ hydro sau Big Bang nhưng trước các ngôi sao đầu tiên sẽ giúp hiểu rõ cách vật chất tối vận hành trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ, cụ thể là quá trình nó thu hút hydro để tạo ra các cấu trúc thiên hà ban đầu. Điều này sẽ giúp kiểm chứng các giả thuyết khoa học về cấu trúc sơ khai của không gian mà trước đây con người chỉ có thể suy đoán dựa trên các mô hình tính toán. [1]

Kỹ thuật đảm bảo độ chính xác cực hạn

Để tách được tín hiệu yếu ớt từ vũ trụ khỏi nhiễu nền, CosmoCube được trang bị hệ thống hiệu chuẩn 'Dicke switched'. Công nghệ này giúp vệ tinh liên tục tự điều chỉnh bằng cách luân phiên giữa việc quan sát bầu trời và đo lường các nguồn tham chiếu nội bộ. Quá trình này nhằm mục đích xác định và loại bỏ các biến động hoặc nhiễu điện tử phát sinh từ chính các linh kiện trên tàu, vốn có thể bị nhầm lẫn với tín hiệu từ lịch sử vũ trụ sâu xa. [1]

Sau khi dữ liệu được gửi về Trái Đất, nhóm nghiên cứu sẽ áp dụng các kỹ thuật thống kê Bayesian nâng cao để phân tách tín hiệu mục tiêu khỏi nhiễu radio nền từ chính thiên hà của chúng ta. Ngoài ra, việc kết hợp các mô phỏng máy tính và đo lường trong sứ mệnh sẽ cho phép các nhà khoa học hiệu chỉnh các méo mó tín hiệu do ăng-ten của vệ tinh ghi nhận từ các khu vực khác nhau trên bầu trời. [1]

Sứ mệnh nhỏ, khát vọng lớn

CosmoCube minh chứng cho việc các khám phá khoa học đột phá không nhất thiết phải dựa vào những tàu vũ trụ khổng lồ hay ngân sách khổng lồ. Với cấu trúc dựa trên nền tảng vệ tinh nhỏ SSTL-21 và tích hợp hệ thống RF-on-Chip (RFSoC) hiện đại, dự án hướng tới mục tiêu chi phí thực hiện dưới 50 triệu Euro. [1]

Dự án này hiện đang được phát triển với sự hợp tác giữa Đại học Cambridge và nhiều đối tác quốc tế từ Anh, EU cùng các tổ chức như STFC RAL Space. Việc phát triển các nguyên mẫu thử nghiệm đã được tiến hành nhằm đảm bảo vệ tinh có khả năng vận hành ổn định trong các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt khi bay quanh Mặt trăng. Nếu thành công, CosmoCube sẽ không chỉ mang lại những hiểu biết mới về nguồn gốc vũ trụ mà còn đặt ra lộ trình cho các chương trình thám hiểm không gian tinh gọn, chi phí thấp trong tương lai. [1]