De verre kant van de maan is een aantrekkelijke plaats om astronomie te bedrijven. NASA / Ernie Wright
Maanverkenning ondergaat een renaissance. Tientallen missies, georganiseerd door verschillende ruimtevaartorganisaties – en in toenemende mate door commerciële bedrijven – zullen de maan bezoeken tegen het einde van dit decennium. In de meeste gevallen gaat het om kleine robotachtige ruimtevaartuigen, maar het ambitieuze Artemis-programma van de NASA streeft ernaar om halverwege dit decennium mensen naar het maanoppervlak te brengen.
Er zijn verschillende redenen voor al deze activiteiten, waaronder geopolitieke standpunten en de zoektocht naar grondstoffen voor de maan, zoals waterijs op de maanpolen, dat kan worden gewonnen en omgezet in waterstof en zuurstof voor raketten. Maar ook de wetenschap zal er zeker van profiteren.
De maan heeft ons nog veel te vertellen over het ontstaan en de evolutie van het zonnestelsel. Zij heeft ook wetenschappelijke waarde als platform voor observationele astronomie.
De potentiële rol voor de astronomie van de natuurlijke satelliet van de aarde werd eerder dit jaar besproken op een bijeenkomst van de Royal Society. De vergadering zelf was deels ingegeven door de verbeterde toegang tot het maanoppervlak die nu in het vooruitzicht is.
Voordelen aan de verre kant
Verschillende soorten astronomie zouden hiervan profiteren. De meest voor de hand liggende is radioastronomie, die kan worden beoefend vanaf de kant van de Maan die altijd van de Aarde af wijst – de verre kant.
De verre kant van de maan is permanent afgeschermd van de radiosignalen die de mensen op aarde uitzenden. Tijdens de maannacht is zij ook beschermd tegen de Zon. Door deze eigenschappen is het waarschijnlijk de meest “radiostille” plaats in het hele zonnestelsel, omdat geen enkele andere planeet of maan een zijde heeft die permanent van de aarde af gericht is. Daarom is hij bij uitstek geschikt voor radioastronomie.
Radiogolven zijn een vorm van elektromagnetische energie – net als bijvoorbeeld infrarood, ultraviolet en zichtbaar licht. Ze worden gedefinieerd doordat ze verschillende golflengten hebben in het elektromagnetische spectrum.
Radiogolven met een golflengte langer dan ongeveer 15 meter worden geblokkeerd door de ionosfeer van de aarde. Maar radiogolven met deze golflengten bereiken ongehinderd het maanoppervlak. Voor de astronomie is dit het laatste onontgonnen gebied van het elektromagnetische spectrum, en het kan het best bestudeerd worden vanaf de maanzijde.
Waarnemingen van de kosmos op deze golflengten vallen onder de noemer “laagfrequente radioastronomie”. Deze golflengten zijn bij uitstek geschikt om de structuur van het vroege heelal te onderzoeken, met name de kosmische “donkere eeuwen” – een tijdperk voordat de eerste sterrenstelsels zich vormden.
In die tijd bestond de meeste materie in het heelal, met uitzondering van de mysterieuze donkere materie, uit neutrale waterstofatomen. Deze zenden en absorberen straling met een karakteristieke golflengte van 21 cm. Radioastronomen gebruiken deze eigenschap al sinds de jaren 1950 om waterstofwolken in ons eigen melkwegstelsel – de Melkweg – te bestuderen.
Omdat het heelal voortdurend uitdijt, is het 21cm-signaal dat waterstof in het vroege heelal genereerde, verschoven naar veel langere golflengten. Daardoor verschijnt waterstof uit de kosmische “donkere eeuwen” voor ons met golflengten van meer dan 10m. De achterkant van de maan is misschien de enige plaats waar we dit kunnen bestuderen.
De astronoom Jack Burns gaf een goede samenvatting van de relevante wetenschappelijke achtergrond op de recente bijeenkomst van de Royal Society. Hij noemde de verre kant van de maan een “ongerept, rustig platform om lage radiofrequentie-observaties uit te voeren van de donkere tijden van het vroege heelal, alsook van ruimteweer en magnetosferen in verband met bewoonbare exoplaneten”.
Signalen van andere sterren
Zoals Burns zegt, is een andere potentiële toepassing van verre radioastronomie het proberen te detecteren van radiogolven van geladen deeltjes die gevangen zitten in magnetische velden – magnetosferen – van planeten die rond andere sterren draaien.
Dit zou helpen om te beoordelen hoe geschikt deze exoplaneten zijn om leven te herbergen. Radiogolven van magnetosferen van exoplaneten hebben waarschijnlijk een golflengte van meer dan 100 m, dus hebben ze een radiostille omgeving in de ruimte nodig. Ook hier is de achterkant van de maan de beste locatie.
Een soortgelijk argument kan worden aangevoerd voor pogingen om signalen van intelligente buitenaardse wezens te detecteren. En door het openstellen van een onontgonnen deel van het radiospectrum bestaat ook de mogelijkheid van serendipitous ontdekkingen van nieuwe verschijnselen.
Impressie van het LuSEE-Night radioastronomie experiment op de maan (credit: Nasa/Tricia Talbert).
We zouden een indicatie moeten krijgen van het potentieel van deze waarnemingen wanneer NASA’s LuSEE-Night missie in 2025 of 2026 op de verre maan landt.
Kraterdieptes
De Maan biedt ook mogelijkheden voor andere soorten astronomie. Astronomen hebben veel ervaring met optische en infraroodtelescopen die in de vrije ruimte werken, zoals de Hubble-telescoop en JWST. De stabiliteit van het maanoppervlak kan echter voordelen bieden voor dit soort instrumenten.
Bovendien zijn er kraters op de maanpolen die geen zonlicht ontvangen. Telescopen die het heelal waarnemen bij infrarode golflengten zijn zeer gevoelig voor warmte en moeten daarom bij lage temperaturen werken. JWST bijvoorbeeld heeft een enorm zonnescherm nodig om hem tegen de zonnestralen te beschermen. Op de maan zou een natuurlijke kraterrand gratis voor deze afscherming kunnen zorgen.
Permanent beschaduwde kraters op de maanpolen zouden uiteindelijk infrarood telescopen kunnen herbergen.
LROC / ASU / NASA
De lage zwaartekracht van de maan kan ook de bouw van veel grotere telescopen mogelijk maken dan haalbaar is voor vrij vliegende satellieten. Deze overwegingen hebben de astronoom Jean-Pierre Maillard ertoe gebracht te suggereren dat de maan de toekomst van de infrarood astronomie zou kunnen zijn.
De koude, stabiele omgeving van permanent beschaduwde kraters kan ook voordelen hebben voor de volgende generatie instrumenten om gravitatiegolven te detecteren – “rimpelingen” in de ruimtetijd veroorzaakt door processen zoals exploderende sterren en botsende zwarte gaten.
Bovendien wordt de maan al miljarden jaren gebombardeerd door geladen deeltjes van de zon – zonnewind – en galactische kosmische straling. Het maanoppervlak kan een rijke registratie van deze processen bevatten. Bestudering daarvan zou inzichten kunnen opleveren in de evolutie van zowel de Zon als de Melkweg.
Om al deze redenen kan de astronomie profiteren van de huidige renaissance in maanonderzoek. In het bijzonder zal de astronomie waarschijnlijk profiteren van de infrastructuur die op de maan wordt opgebouwd naarmate de maanverkenning vordert. Dit omvat zowel transportinfrastructuur – raketten, landers en andere voertuigen – om het oppervlak te bereiken, als mensen en robots ter plaatse om astronomische instrumenten te bouwen en te onderhouden.
Maar er is ook een spanningsveld: menselijke activiteiten aan de achterkant van de maan kunnen ongewenste radiostoringen veroorzaken, en plannen om waterijs te winnen uit schaduwkraters kunnen het moeilijk maken om diezelfde kraters te gebruiken voor astronomie. Zoals mijn collega’s en ik onlangs hebben betoogd, moeten we ervoor zorgen dat maanlocaties die van unieke waarde zijn voor de astronomie worden beschermd in dit nieuwe tijdperk van maanverkenning.
Ian Crawford is lid van het Space Agency's Space Exploration Advisory Committee (SEAC) van het Verenigd Koninkrijk en heeft het Europees Ruimteagentschap geadviseerd over het maanverkenningsbeleid. Hij is voorzitter van COSPAR-subcommissie B3 (maan) en lid van de Moon Village Association die tot doel heeft de internationale samenwerking bij de verkenning van de maan te bevorderen. Hij was medeorganisator van de recente bijeenkomst van de Royal Society "Astronomie vanaf de maan."
