Planētu teleskops izmantotu Zemes atmosfēru kā milzu objektīvu

No raksta 12. attēla — mākoņu karšu piemēri, kas izveidoti no efektīvās mākoņu daļas datiem kā augstuma funkcija 'Terraskops': par iespēju izmantot Zemi kā atmosfēras objektīvu

Teleskopi ir dārgas ierīces. Milzu Magelāna teleskopam, kas pašlaik tiek būvēts Atakamas tuksnesī Čīlē, būs 25 metru spogulis, kura izmaksas būs aptuveni 1 miljards dolāru. Ierosinātais trīsdesmit metru teleskops uz Mauna Kea Havaju salās izmaksās aptuveni 2 miljardus dolāru.

Kosmosa teleskopi ir vēl dārgāki. Ilgi aizkavētais Džeimsa Veba kosmiskais teleskops, kas 2021. gadā aizstās Habla, kuram ir 6,5 metru spogulis, maksā vairāk nekā 10 miljardus USD.

Tāpēc astronomi meklē novatoriskus jaunus veidus, kā attēlot debesis, kas Zemei nemaksā.

Ienāciet Deivids Kipings Kolumbijas universitātē Ņujorkā, kurš šodien ierosina izmantot Zemes atmosfēru, lai pievērstu uzmanību astronomiskajai gaismai. Viņa ideja ir izmantot visu planētu kā sava veida milzu objektīvu un fokusa punktā novietot kosmosa teleskopu, lai uzņemtu attēlus. Šim teleskopam — teraskopam — būtu tāda gaismas savākšanas jauda kā 150 metru teleskopam uz Zemes par nelielu daļu no izmaksām.

Vispirms nedaudz fona. Astronomi jau sen ir zinājuši, ka atmosfēra saliek gaismu, kas tai iet cauri. Rietoša Saule ir nedaudz vairāk nekā par pusgrādi zemāka, nekā šķiet šī efekta rezultātā, raksta Kipings.

Viņa ideja ir izmantot šo efektu planētas mērogā. Viņš raksta, ka novērotājs, kas atrodas aptuveni Zemes un Mēness atdalīšanas attālumā vai tālāk, varētu izmantot Zemi kā refrakcijas lēcu.

Šāds objektīvs būtu sarežģīts. Tāpēc Kipings kādu laiku ir pavadījis, pētot un simulējot tā īpašības un to, kā tās varētu izmantot milzīgā teraskopā. Izaicinājumu ir daudz.

Sākumā atmosfēra saliecas vai lauž zvaigžņu gaismu, kad tā iet cauri. Bet refrakcijas apjoms ir atkarīgs no atmosfēras blīvuma, kas mainās atkarībā no augstuma virs virsmas. Tik gaisma, kas plosās atmosfēras augšējos slāņos, tiek lauzta mazāk nekā gaisma, kas nonāk dziļāk atmosfērā.

Taču dažādi faktori ierobežo to, cik dziļi gaisma var iekļūt atmosfērā. Acīmredzamākais ir tas, ka gaismai ir jāizvairās no pašas Zemes. Bet mākoņi arī absorbē gaismu, tāpēc jebkurai lauztajai gaismai jābūt pietiekami augstu virs virsmas, lai no tiem izvairītos.

Vēl viens svarīgs faktors ir tas, ka atmosfēra, tajā esošie aerosoli un tā tālāk absorbē gaismu noteiktās frekvencēs. Tāpēc Kipingam bija jāizdomā, cik daudz var tikt zaudēts šajā procesā.

Atmosfēra arī vāji spīd, kas varētu apslāpēt gaismu no attāliem astrofiziskiem avotiem. Šis gaisa mirdzums, kas ir tādu procesu rezultāts kā saules gaismas atdalīto molekulu rekombinācija, nozīmē, ka nakts debesis nekad nav pilnībā tumšas.

Taču Kipings norāda, ka lielāko daļu šīs gaismas var bloķēt koronagrāfs — būtībā neliels disks uz teraskopa, kas bloķē gaismu no Zemes ķermeņa un pat no atmosfēras lejtecēm, kur nenotiek noderīga lēca.

Vēl viens mainīgais ir tas, ka atmosfēra izplešas vai saraujas, kad ir siltāks vai vēsāks. Tas mainītu teraskopa fokusa attālumu. Tāpēc būtu svarīgi atrast optimālo orbītu ierīcei.

Kipping pēta visus šos efektus un daudz ko citu. Viņa aprēķini liecina, ka viena metra kosmiskais teleskops, kas riņķo 360 000 kilometru attālumā, kas ir nedaudz tuvāk nekā Mēness, būtu optimāls. Šādai ierīcei jāsavāc gaisma, kas Zemes atmosfērā ir iegremdēta ne tālāk kā 14 kilometrus, un tādējādi jāpaliek krietni virs mākoņiem.

Planētai darbojoties kā objektīvam, fokusētā gaisma 20 stundu ekspozīcijas laikā tiktu pastiprināta par 45 000. Tas ir līdzvērtīgs pastiprinājumam, ko panāk uz zemes izvietots teleskops ar 150 metru diametru.

Kipings secina, ka teraskopam ir ievērojams potenciāls. Lai gan viņš neaprēķina šādas iekārtas izmaksas, viņš norāda, ka 100 metru teleskops uz Zemes izmaksātu aptuveni 35 miljardus dolāru, kas pārsniedz NASA un Nacionālā zinātnes fonda kopējo budžetu.

Vai par mazāku cenu būtu iespējams uzbūvēt, palaist un darbināt viena metra teleskopu 360 000 kilometru attālumā?

Droši vien. Viena no pēdējo gadu veiksmīgākajām observatorijām ir Keplera kosmiskais teleskops, kas meklēja un atrada daudzas Zemei līdzīgas planētas, kas riņķo ap citām zvaigznēm. Tas riņķoja ap Sauli, nevis Zemi, vairāk nekā 150 miljonu kilometru attālumā no mājām. Misija ilga deviņus gadus, līdz tai beidzās degviela, un tā izmaksāja tikai 550 miljonus dolāru.

Ja šie skaitļi ir kaut kas atbilstošs, teraskops var piedāvāt ievērojamu cenas un kvalitātes attiecību.

Atsauce: arxiv.org/abs/1908.00490 : 'Terraskops': par iespēju izmantot Zemi kā atmosfēras objektīvu

paslēpties