Kosmosa misija uz Saules gravitācijas fokusu

Zemei līdzīgas planētas, kas riņķo ap citu zvaigzni, meklēšana ir viens no lielākajiem astronomijas izaicinājumiem. Tas ir uzdevums, kas šķiet tuvu izpildei. Kopš 1988. gada, kad astronomi pamanīja pirmo eksoplanetu, viņi ir atraduši vairāk nekā 2000 citu planētu.

Lielākā daļa no šīm planētām ir milzīgas, jo lielākus objektus ir vieglāk pamanīt. Taču, pilnveidojoties sensoru metodēm un tehnoloģijām, astronomi atrod planētas, kas arvien ciešāk atbilst Zemes dzīvības statistikai.

Viņi pat ir sākuši izmantot vērtēšanas sistēmu, ko sauc par Zemes līdzības indeksu, lai noteiktu, cik līdzīga eksoplaneta ir mātes planētai. Pašlaik visaugstāk novērtētā eksoplaneta ir Kepler-438b, kas riņķo sarkanā pundura apdzīvojamā zonā Liras zvaigznājā aptuveni 470 gaismas gadu attālumā no šejienes.

Kepler-438b Zemes līdzības indekss ir 0,88. Salīdzinājumam, Marsa ESI ir 0,797, tāpēc tas ir vairāk līdzīgs Zemei nekā mūsu tuvākais kaimiņš. Tas ir aizraujoši, taču neizbēgami tuvākajā nākotnē astronomi atradīs planētas ar vēl augstākiem indeksiem.

Un tas rada interesantu jautājumu: cik daudz mēs jebkad varam zināt par šīm planētām, ņemot vērā to lielumu un attālumu no mums? Galu galā orbitālo teleskopu ierobežotais izmērs uzliek nopietnus ierobežojumus tam, cik daudz gaismas un informācijas mēs varam savākt no Zemes analoga.

Bet ir vēl viena iespēja — saules gravitācijas lauks var fokusēt gaismu. Novietojiet teleskopu šī milzīgā objektīva fokusa punktā, un jums vajadzētu kļūt iespējai izpētīt tālu objektu vēl nebijušā detaļā. Bet cik labs būtu šāds objektīvs; ko tas atklātu, ko mēs nevarētu redzēt ar saviem teleskopiem?

Šodien mēs saņemam atbildi uz šiem jautājumiem, pateicoties Džefrija Lendisa darbam NASA Džona Glena pētniecības centrā Klīvlendā. Lendiss ir analizējis saules objektīva izšķirtspēju un noskaidrojis, cik labi tas varētu būt.

Fizikas pamatprincipi ir tieša, un astronomi to ir sīki izstrādājuši pagātnē. Vispārējā relativitāte paredz, ka gaismai ir jāliecas ap jebkuru masīvu objektu. Tomēr efekts ir niecīgs, un to var novērot tikai ar objektiem ar patiesi milzīgu masu.

Neskatoties uz savu lielumu, saule tikai nedaudz saliek gaismu. Līdz ar to mūsu saules lēcas fokusa punkts atrodas vismaz 550 astronomisko vienību attālumā. Tas atrodas ārpus Plutona orbītas un Kuipera jostas, kas stiepjas tikai par 50 AU.

Tomēr tas ir vilinošs atspēriena punkts, ņemot vērā to, ka starp Kuipera joslu un nākamo tuvāko zvaigzni Alfa Kentauri, kas atrodas 280 000 AU attālumā, ir maz intereses. Tādējādi ir spēcīgs stimuls atrast kādu ticamu mērķi, apmeklējot gravitācijas fokusu, kas ir potenciāls starpposms ceļā uz nākotnes starpzvaigžņu misiju, saka Lendiss.

Taču saules kā gravitācijas lēcas izmantošanai ir ievērojamas problēmas. Pirmais ir saistīts ar norādīšanu un fokusa attālumu. Ideja ir novietot kosmosa kuģi saules pretējā pusē no eksoplanetas, taču tas nevar atrasties tieši fokusa punktā, kur saplūst gaisma no eksoplanetas.

Tas ir tāpēc, ka jebkuru attēlu apslāpētu saules gaisma, kas joprojām būtu spilgtākais objekts debesīs. Tā vietā kosmosa kuģis atrastos aiz fokusa punkta, kur gaisma no eksoplanetas veidotos Einšteina gredzenā ap sauli. Tieši šis gredzens būtu jāpaņem misijai.

Bet ne tikai saule var apslāpēt attēlu. Saules korona, plazmas aura, kas ieskauj sauli, arī ir problēma, un tā sniedzas daudz tālāk. Lai nodrošinātu, ka Einšteina gredzens ir lielāks par vainagu un to neaizsedz, misijai būtu jāatrodas vēl tālāk, vairāk nekā 2000 AU attālumā, saka Lendiss. Tas ir daudz vairāk nekā 550 AU, ko liecina iepriekšējās analīzes.

Ir vienkārši parādīt, ka šai misijai var būt tikai viens mērķis. Lai norādītu uz citu objektu, kas atrodas tikai 1 grāda attālumā, teleskopam ir jāpārvieto ap sauli vismaz 10 AU, kas atbilst attālumam no Zemes līdz Saturnam. Būtiska Saules gravitācijas lēcu atšķirība no parastā teleskopa ir tā, ka gravitācijas lēcu teleskops praktiski nav izmantojams, saka Lendiss.

Bet, ņemot vērā konkrētu mērķi, saules fokusa spēks rada ļoti palielinātu skatu. Lai demonstrētu savu potenciālu, Lendiss izmanto hipotētisku piemēru par eksoplanetu, kas riņķo ap zvaigzni aptuveni 35 gaismas gadu attālumā. Ja šī planēta būtu tāda paša izmēra kā Zeme, attēls Saules fokusa plaknē būtu 12,5 kilometri šķērsām.

Tātad misija varēja redzēt tikai nelielu planētas virsmas daļu. Patiešām, teleskops ar viena metra detektoru attēlotu viena kilometra kvadrātveida laukumu uz planētas virsmas, kas ir mazāks nekā Ņujorkas Centrālais parks.

Ir sarežģīti vērst teleskopu uz tik mazu un tālu apgabalu. Šādā teleskopā nevar atrasties meklētājs, jo mērķis būtu neredzams, izņemot gadījumus, kad tiek izmantots gravitācijas objektīvs. Tātad eksoplanetas atrašanās vieta būs jāzina ar augstu precizitāti.

Pat tad norādīt uz to nebūs triviāli. Lai atrastu planētu ar diametru ~ 10^4 km 10^14 km attālumā, ir nepieciešamas norādes zināšanas un norādīšanas precizitāte 0,1 nanoradiāna apmērā, saka Lendiss. Vismodernākā norādīšanas precizitāte šodien ir aptuveni 10 nanoradiāni.

Bet tas ir tikai sākums. Eksoplaneta kustēsies, riņķojot ap savu zvaigzni. Lendiss analizē, kas notiktu, ja eksoplanetai būtu tāds pats orbītas ātrums kā Zemei, 30 km/s. Tādā gadījumā viena kilometra planētas daļa viena metra detektoru šķērsos tikai 33 milisekundēs, un visa planēta paslīdēs garām 42 sekundēs.

Būs grūti novērst izplūšanu, pārvietojot teleskopu, lai izsekotu attēlam. Lendiss saka, ka kosmosa kuģim būs jāmaina savs ātrums par 30 metriem sekundē, lai neatpaliktu, un ka gada laikā tas sekos elipsei, kuras puslielā ass ir aptuveni 150 000 kilometru. Nav skaidrs, kāda veida piedziņas sistēma to spētu.

Alternatīva, protams, ir izmantot attēlu apstrādes metodes, lai noņemtu izplūšanu, kas ir arvien vairāk izdarāms ar mūsdienu tehnoloģijām.

Vēl viena liela problēma ir gaismas filtrēšana no saules, nemaz nerunājot par eksoplanetas mātes zvaigzni, kas būs daudzkārt spilgtāka par mērķi. Teleskopam būs arī jāsamazina traucējumi no citiem avotiem, piemēram, zodiaka gaismas. Pašreizējās paaudzes planētu medību teleskopiem tas ir pielikts daudz pūļu. Neskatoties uz to, Lendiss saka, ka tā nav niecīga problēma.

Ņemot vērā visas šīs problēmas, cik daudz labāks ir gravitācijas lēcas attēls, salīdzinot ar attēlu bez objektīva? Lendisa aplēses liecina, ka objektīvs palielina gaismas intensitāti no eksoplanetas par 100 000.

Tā ir būtiska priekšrocība. Taču to var realizēt tikai tad, ja eksoplanetu gaismu var labi atdalīt no gaismas no citiem avotiem, piemēram, saules, vainaga, galvenās zvaigznes utt. Un tas ir liels nezināmais.

No tā ir atkarīga misijas lietderība. Ņemot vērā visas grūtības, vai ir vērts ceļot uz vairāk nekā 600 AU, lai tikai iegūtu koeficientu 100 000? Vai ar to pietiek? jautā Lendiss.

Tas ir jautājums, kas astronomiem, finansēšanas aģentūrām un sabiedrībai kopumā būs jāapsver diezgan detalizēti. Lendiss neierosina, ka šāda misija būtu jāuzņemas tagad vai pat iespējama vai pieejama. Bet viņa analīze noteikti ir palielinājusi likmes.

Turpinot tālāk, šķiet, ka ir grūti par zemu novērtēt Zemes analoga atrašanas nozīmi, kam ir potenciāls dzīvības uzturēšanai. Ideja kartēt tikai viena kilometra lielus apgabalus uz šīs planētas būs spēcīga motivācija.

Uz Zemes šāda veida attēls atklātu salas, upes, parkus, Lielās sienas, automaģistrāles, pilsētas utt. Iespējams, ka kosmosa kuģis, kas atrodas attālas zvaigznes gravitācijas fokusā, šobrīd atklāj šīs lietas apburtiem citplanētiešu iedzīvotājiem. Tikai iedomājies.

Atsauce: arxiv.org/abs/1604.06351 : Misija uz Saules gravitācijas fokusu: kritiskā analīze

paslēpties