Sci-fi sau realitate: cum să faceți imagini cu rezoluție de kilometri ale suprafeței exoplanetelor?

Studiul de fezabilitate al unui telescop spațial special (SGLT) bazat pe lentila gravitațională a Soarelui nostru, care ar putea studia suprafața exoplanetelor mai aproape de 100 de ani lumină cu o rezoluție de un kilometru și atmosfera lor cu un semnal-zgomot extrem de bun raport cu spectroscopie de înaltă rezoluție.

Ilustrare. De fapt, designerii se așteaptă la o rezoluție mult mai bună decât asta. Sursa: S. G. Turyshev și colab. (2018)

Știm de la teoria generală a relativității a lui Albert Einstein în 1915 că corpurile cerești, datorită masei lor, curbează spațiu-timp în jurul lor. Această curbură nu este altceva decât gravitația însăși, iar câmpul gravitațional deviază lucrurile care trec prin ea, inclusiv lumina. Aceasta este baza fenomenului lentilei gravitaționale. Câmpul gravitațional al unui corp ceresc, ca o lentilă optică, este capabil să concentreze razele de lumină, amplificând lumina corpurilor cerești îndepărtate. Slave Turyshev (Jet Propulsion Laboratory, CalTech, CA, SUA) și colegii săi au investigat posibilitatea unui telescop de exoplanetă, sau SGLT, care să exploateze efectul lentilei gravitaționale a Soarelui. Nu s-au găsit obstacole teoretice în timpul studiului, cu toate acestea, sunt necesare încă o serie de evoluții tehnologice până când acestea nu sunt practicabile.

Câmpul gravitațional al unei stele distorsionează imaginea corpurilor cerești îndepărtate exact în spatele ei într-un inel Einstein complet, amplificându-și foarte mult lumina. Datorită masei și densității Soarelui, pentru a observa acest inel, trebuie să ne îndepărtăm de cel puțin 550 de unități astronomice (CSE, distanța Soare-Pământ). De la o astfel de distanță, inelul Einstein ar fi vizibil chiar lângă suprafață, în cea mai strălucitoare regiune a coroanei solare. Cu toate acestea, discul Soarelui și regiunile mai luminoase din interiorul coroanei trebuie acoperite cu un grafic al coroanei pentru a face inelul Einstein observabil. Astfel, telescopul potențial trebuie plasat la o distanță de cel puțin 650 CSE de Soare. Prin comparație, cel mai îndepărtat dispozitiv creat de om, nava spațială Voyager-1, lansată acum mai bine de 40 de ani, se află în prezent la 141,38 CSE de Soare. Cu tehnologia noastră actuală de rachete, manevre de leagăn adecvate sau o navă solară disponibilă, o navă spațială ar putea parcurge o distanță atât de mare în 30 de ani. Este adevărat, acest lucru necesită o abordare extraordinară a Soarelui în timpul uneia dintre manevrele de leagăn, așa că va trebui să aduceți și un scut termic bun cu dvs.

Trebuie să vă deplasați cel puțin 550 CSE de la Soare pentru a vedea inelul Einstein al exoplanetei chiar în spatele ei (stânga) de-a lungul marginii stelei. Cu toate acestea, este posibil să vă îndepărtați de mai mult de 650 CSE, astfel încât inelul Einstein să apară la o distanță suficientă de discul stea, în regiunea mai slabă a coroanei (dreapta). Discul solar și regiunile interioare ale coroanei trebuie acoperite cu un grafic al coroanei. Sursa: S. G. Turyshev și colab. (2018)

Cu toate acestea, dacă tot am putea introduce o navă spațială în focarul lentilei gravitaționale, am obține un instrument care promite posibilități extraordinare. Capacitatea de colectare a luminii unui SGLT de 1 m în diametru, situat la 750 CSE de steaua noastră, este echivalentă cu un telescop convențional cu un diametru de 80 km fără lentile gravitaționale. Conform conceptului, nava spațială, odată ce a atins distanța prevăzută, are o aprox. Deplasarea într-un cilindru de 1300 m diametru ar scana suprafața planetei cu luni de muncă. Desigur, acest proces de scanare va fi, de asemenea, mult mai complicat decât pare, deoarece totul în univers se mișcă. Nu numai sonda și exoplaneta pe care doriți să le studiați, ci și stelele noastre centrale se mișcă una față de cealaltă. Mai mult, chiar și elementul optic de colectare a luminii, Soarele însuși, se mișcă în raport cu centrul de masă al sistemului solar. Prin urmare, ținta trebuie scanată în doi cilindri cu diametrul de 1,3 km în jurul unei axe definite de exoplanetă și centrul de masă al Soarelui, deplasându-se într-o manieră complexă una față de cealaltă, la o distanță de 3,75 zile-lumină de controlul solului, într-o manieră complet autonomă.

Simulare. Deasupra este o hartă albedo a Pământului la un anumit moment, la o lungime de undă dată. Folosind acest lucru, experții au creat o curbă de lumină observabilă de instrumentul proiectat, din care figura de jos a fost obținută prin deconvoluție corespunzătoare operației inverse. Reproducerea este perfectă. Sursa: S. G. Turyshev și colab. (2018)

După rezolvarea tuturor dificultăților de reglare geometrică, telescopul vede în fiecare moment o imagine a exoplanetei deformată într-un inel de nerecunoscut de lentila gravitațională. Din aceste fotografii succesive, va fi necesară reproducerea imaginii suprafeței planetei folosind metode matematice complexe. Metoda este calculată și de autorii studiului pentru a permite o rezoluție uimitoare de 1 km. Desigur, nici această deconvoluție nu va fi ușoară. Exoplaneta noastră se va roti în timpul observațiilor, atmosferele meteo vor avea loc probabil în atmosfera sa, adică norii se vor forma și se vor mișca, iar faza de iluminare a planetei nu va fi nici ea constantă. Pentru a realiza deconvoluție de înaltă rezoluție,

Raport semnal-zgomot extrem de ridicat în inelul Einstein de la o suprafață eficientă de colectare a luminii de 80 km. Pe lângă cartografierea suprafeței planetei, sonda ar produce, de asemenea, spectre extrem de precise și de înaltă rezoluție ale țintei, în care am putea examina posibile semne de viață prin biomarkeri.

În mod implicit, ținta ar fi o planetă de stâncă asemănătoare Pământului care orbitează în zona locuibilă a unei stele de tip Soare. Vom identifica multe dintre acestea în viitorul apropiat în mediul nostru de 100 de ani-lumină cu instrumentul planificat, deci nu vor lipsi țintele. Atunci, când este de așteptat construcția și funcționarea cu succes a SGLT? Cu puțin noroc poate chiar în acest secol ...

Sursa: Slava G. Turyshev și colab. „Imagistica multipixelă directă și spectroscopia unei exoplanete cu o misiune de lentilă de gravitate solară”, 23 februarie 2018, Raport final pentru propunerea de fază I a conceptelor inovatoare avansate (NIAC) a NASA - arXiv pdf