Misja kosmiczna mająca na celu skupienie grawitacyjne Słońca

Poszukiwanie planety podobnej do Ziemi krążącej wokół innej gwiazdy jest jednym z największych wyzwań astronomii. To zadanie wydaje się bliskie realizacji. Odkąd astronomowie zauważyli pierwszą egzoplanetę w 1988 roku, znaleźli ponad 2000 innych.

Większość z tych planet jest ogromnych, ponieważ większe obiekty łatwiej dostrzec. Jednak wraz z ulepszaniem technik i technologii wykrywania astronomowie znajdują planety, które coraz bardziej odpowiadają ziemskim statystykom życiowym.

Zaczęli nawet używać systemu rankingowego zwanego Indeksem podobieństwa Ziemi, aby określić, jak bardzo egzoplaneta jest podobna do planety macierzystej. Egzoplaneta, która obecnie plasuje się najwyżej, to Kepler-438b, która krąży w ekosferze czerwonego karła w konstelacji Liry około 470 lat świetlnych stąd.

Kepler-438b ma wskaźnik podobieństwa do Ziemi równy 0,88. Dla porównania, Mars ma ESI 0,797, więc jest bardziej podobny do Ziemi niż nasz najbliższy sąsiad. To ekscytujące, ale nieuniknione jest, że w najbliższej przyszłości astronomowie znajdą planety o jeszcze wyższych indeksach.

A to rodzi interesujące pytanie: ile możemy kiedykolwiek wiedzieć o tych planetach, biorąc pod uwagę ich rozmiar i odległość od nas? W końcu ograniczone rozmiary orbitujących teleskopów nakładają surowe ograniczenia na to, ile światła i informacji możemy zebrać z analogu Ziemi.

Ale jest jeszcze inna opcja — pole grawitacyjne Słońca może skupiać światło. Umieść teleskop w ognisku tej gigantycznej soczewki, a powinno być możliwe badanie odległego obiektu z niespotykaną dotąd szczegółowością. Ale jak dobry byłby taki obiektyw; co by to ujawniło, czego nie moglibyśmy zobaczyć naszymi własnymi teleskopami?

Dzisiaj otrzymujemy odpowiedź na te pytania dzięki pracy Geoffreya Landisa w NASA John Glenn Research Center w Cleveland. Landis przeanalizował zdolność rozdzielczą soczewki słonecznej i ustalił, jak dobra może być.

Podstawowa fizyka jest prosta i została szczegółowo opracowana przez astronomów w przeszłości. Ogólna teoria względności przewiduje, że światło musi załamywać się wokół każdego masywnego obiektu. Efekt jest jednak niewielki i można go zaobserwować tylko w przypadku obiektów o naprawdę ogromnej masie.

Mimo swoich rozmiarów, słońce ugina światło tylko w niewielkim stopniu. W konsekwencji ognisko naszej soczewki słonecznej znajduje się w odległości co najmniej 550 jednostek astronomicznych. To jest poza orbitą Plutona i Pasa Kuipera, który rozciąga się na zaledwie 50 ja.

Niemniej jednak jest to kusząca odskocznia, biorąc pod uwagę, że między Pasem Kuipera a następną najbliższą gwiazdą, Alfa Centauri, odległą o 280 000 AU, jest niewielkie zainteresowanie. Istnieje zatem silna zachęta do znalezienia wiarygodnego celu w odwiedzeniu ogniska grawitacyjnego, jako potencjalnego pośredniego kroku w kierunku przyszłej misji międzygwiezdnej, mówi Landis.

Jednak wykorzystanie słońca jako soczewki grawitacyjnej wiąże się z poważnymi wyzwaniami. Pierwsza związana jest ze wskazaniem i ogniskową. Pomysł polega na umieszczeniu statku kosmicznego po przeciwnej stronie Słońca niż egzoplaneta, ale nie może on znajdować się dokładnie w ognisku, w którym zbiega się światło z egzoplanety.

To dlatego, że każdy obraz zostałby zagłuszony przez światło słoneczne, które nadal byłoby najjaśniejszym obiektem na niebie. Zamiast tego statek kosmiczny znalazłby się poza ogniskiem, w którym światło z egzoplanety utworzyłoby pierścień Einsteina wokół Słońca. To jest ten pierścień, którego misja musiałaby wypróbować.

Ale nie tylko słońce może zagłuszyć obraz. Korona słoneczna, aura plazmy, która otacza Słońce, również stanowi problem, który rozciąga się znacznie dalej. Aby upewnić się, że pierścień Einsteina jest większy niż korona i nie jest przez nią zasłonięty, misja musiałaby siedzieć jeszcze dalej, w odległości ponad 2000 jednostek astronomicznych, mówi Landis. To znacznie więcej niż 550 AU, które sugerowały poprzednie analizy.

Łatwo jest pokazać, że misja ta może mieć tylko jeden cel. Aby skierować na inny obiekt oddalony o 1 stopień, teleskop musiałby przemieścić się o co najmniej 10 AU wokół Słońca, co odpowiada odległości Ziemi od Saturna. Istotna różnica między soczewką grawitacyjną Słońca a konwencjonalnym teleskopem polega na tym, że teleskop soczewek grawitacyjnych nie jest praktycznie celowy, mówi Landis.

Ale biorąc pod uwagę konkretny cel, ogniskowa słońca daje znacznie powiększony obraz. Aby zademonstrować swój potencjał, Landis używa hipotetycznego przykładu egzoplanety krążącej wokół gwiazdy oddalonej o około 35 lat świetlnych. Gdyby ta planeta była tej samej wielkości co Ziemia, obraz w płaszczyźnie ogniskowej Słońca miałby 12,5 kilometra średnicy.

Tak więc misja mogła zobaczyć tylko niewielki ułamek powierzchni planety. Rzeczywiście, teleskop z jednometrowym detektorem zobrazowałby obszar o powierzchni jednego kilometra kwadratowego na powierzchni planety – to mniej niż nowojorski Central Park.

Skierowanie teleskopu na obszar tak mały i odległy jest trudne. Na takim teleskopie nie może być szukacza, ponieważ cel byłby niewidoczny, z wyjątkiem użycia soczewki grawitacyjnej. Zatem pozycja egzoplanety będzie musiała być znana z dużą precyzją.

Nawet wtedy wskazanie go nie będzie trywialne. Znalezienie planety o średnicy ~10^4 km w odległości 10^14 km wymaga wiedzy o wskazywaniu i dokładności wskazywania na poziomie 0,1 nanoradiana, mówi Landis. Najnowocześniejsza dokładność wskazywania wynosi obecnie około 10 nanoradianów.

Ale to dopiero początek. Egzoplaneta będzie się poruszać, okrążając swoją gwiazdę. Landis analizuje, co by się stało, gdyby egzoplaneta miała taką samą prędkość orbitalną jak Ziemia, 30 km/s. W takim przypadku jednokilometrowa część planety przejedzie przez detektor o długości jednego metra w zaledwie 33 milisekundy, a cała planeta prześlizgnie się w ciągu 42 sekund.

Zapobieganie rozmyciu poprzez przesuwanie teleskopu w celu śledzenia obrazu będzie trudne. Landis mówi, że statek kosmiczny będzie musiał zmienić swoją prędkość o 30 metrów na sekundę, aby nadążyć, i że w ciągu roku będzie podążał elipsą o półosi wielkiej o długości około 150 000 kilometrów. Nie jest jasne, jaki rodzaj układu napędowego byłby do tego zdolny.

Alternatywą jest oczywiście wykorzystanie technik przetwarzania obrazu w celu usunięcia rozmycia, co jest coraz bardziej wykonalne przy dzisiejszej technologii.

Innym poważnym problemem jest filtrowanie światła słonecznego, nie wspominając o gwieździe macierzystej egzoplanety, która będzie jaśniejsza o rzędy wielkości od celu. Teleskop będzie musiał również zminimalizować zakłócenia z innych źródeł, takich jak światło zodiakalne. Wiele wysiłku włożono w to dla obecnej generacji teleskopów do polowań na planety. Niemniej, jak mówi Landis, nie jest to błahy problem.

Biorąc pod uwagę wszystkie te problemy, o ile lepszy jest obraz z soczewki grawitacyjnej w porównaniu z obrazem bez soczewki? Według szacunków Landisa soczewka zwiększa intensywność światła z egzoplanety 100 000 razy.

To znacząca zaleta. Ale można to zrealizować tylko wtedy, gdy światło egzoplanety można dobrze oddzielić od światła z innych źródeł, takich jak słońce, korona, gwiazda macierzysta i tak dalej. I to jest wielka niewiadoma.

Od tego zależy użyteczność misji. Biorąc pod uwagę wszystkie trudności, czy warto podróżować poza 600 AU, aby zyskać zaledwie 100 000 razy? Czy to wystarczy? pyta Landis.

To pytanie, które astronomowie, agencje finansujące i ogół społeczeństwa będą musieli szczegółowo rozważyć. Landis nie sugeruje, że taka misja powinna zostać podjęta teraz, a nawet jest możliwa lub opłacalna. Ale jego analiza z pewnością podniosła stawkę.

Idąc dalej, trudno nie docenić znaczenia znalezienia analogu Ziemi, który ma potencjał podtrzymania życia. Pomysł zmapowania obszarów na tej planecie, które mają zaledwie jeden kilometr wielkości, będzie silną motywacją.

Na Ziemi tego rodzaju obraz ujawniłby wyspy, rzeki, parki, Wielkie Mury, autostrady, miasta i tak dalej. Być może statek kosmiczny siedzący w ognisku grawitacyjnym odległej gwiazdy ujawnia te rzeczy w tej chwili zaklętej populacji obcych. Tylko wyobraźnia.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1604.06351 : Misja do skupienia grawitacyjnego Słońca: analiza krytyczna

ukryć