Искате да видите друга Земя? Ето защо слънчевата гравитация е нашият най-мощен телескоп
Живеем в една удивителна ера. Астрономите са разкрили хиляди екзопланети – светове, които обикалят към далечните звезди. Някои от тях се намират в обитаемата зона, където теоретично може да съществува течна вода. Но какво в действителност знаем за тях? Почти нищо. За нас те са единствено данни: лекото затъмнение на звезда, когато пред нея минава планета, или едвам доловимото съмнение на светилото под въздействието на гравитацията на незабележим сателит.
Ами в случай че можехме да забележим някоя от тези планети? Не просто като пиксел, а като същински свят с континенти, океани и облаци. Представете си карта на най-близкия до нас аналог на Земята, даже и да е с размер единствено 10 на 10 пиксела. Това би било, без пресилване, най-голямото изобретение в историята на човечеството.
Но по какъв начин да създадем това? Неотдавна Слава Туришев, физик в Лабораторията за реактивно придвижване на НАСА, разгласява публикация, в която безмилостно, само че почтено оборва всички съществуващи хрумвания. И заключението му е зашеметяващо: съвсем всички наши сегашни и даже бъдещи технологии за осъществяването на тази задача са безнадеждни. С изключение на една, която като че ли е извадена напряко от научната фантастика.
Твърде надалеч, прекомерно едва: за какво стандартните телескопи не могат да се оправят с тази задача
Първото нещо, което ни идва на разум, е да построим голям телескоп. Нещо като проектирания галактически колос LUVOIR с 15-метрово огледало. Звучи впечатляващо, нали? Но дано създадем съответните калкулации.
За да видите детайлите на планета, намираща се, да речем, на 32 светлинни години от нас, се нуждаете от феноменална разграничителна дарба. Според изчисленията на Туришев даже най-амбициозните телескопи като LUVOIR или наземния колос ELT имат към 10 000 пъти по-ниска разграничителна дарба от нужната. Това е все едно да се опитваш да видиш футболна топка в различен град.
Но има и втори, доста по-сериозен проблем: „ фотонният бюджет “. Самата планета не свети, тя единствено отразява светлината на своята звезда. От разстояние десетки светлинни години до нас доближава единствено дребна част от тези фотони. Въпреки това родната й звезда свети милиарди пъти по-ярко. Да се опитваш да различиш фотоните от планетата е като да се опитваш да чуеш шепот над плача на реактивен мотор.
Дори в случай че насочите LUVOIR към точното място и изчакате търпеливо, съгласно изчисленията ще са необходими… 1900 години, с цел да се съберат задоволително фотони, с цел да се направи карта с размери 10×10 пиксела. При наземния ELT, който също по този начин е възпрепятстван от атмосферата, ситуацията е още по-тъжно – 41 000 години. Очевидно е, че това не е вид.
Хитрите трикове и тяхната слабост
Добре, в случай че не можем да се оправим непосредствено, за какво не използваме малко ловкост? Учените обмислят и други подходи.
Например интерферометрията. Идеята е да се комбинира светлината от няколко дребни телескопа, отдалечени в пространството на огромно разстояние. Заедно те работят като един великански виртуален телескоп. За да се реализира нужната разграничителна дарба, те би трябвало да са на разстояние 130 км! Синхронизирането на такава армада с акуратност до нанометри е задача, която надалеч надвишава сегашните ни инженерни благоприятни условия. Но даже и да успеем да се оправим, събирането на светлината ще отнеме хиляди години. Отново задънена улица.
Ами звездните сенници (starshades)? Това са големи платна, които летят на огромно разстояние пред телескопа и блокират светлината на дадена звезда, позволявайки ви да видите слабата планета до нея. Идеята е красива, само че още веднъж изисква немислима точност на координацията. И въпреки да понижава времето за наблюдаване от хилядолетия на епохи, тя не взема решение казуса с ниската разграничителна дарба.
План Б: просто да летим до такава степен?
Ако планината не отива при Мохамед… може би да изпратим сонда напряко на планетата? Проекти като Breakthrough Starshot включват ускорение на дребни апарати до 20% от скоростта на светлината.
И още веднъж дяволът е в детайлите. При такава главозамайваща скорост сондата ще прелети около планетата единствено за няколко минути. За това време тя би трябвало да снима всичко, да го проучва и – най-трудната част – да изпрати данните назад вкъщи на десетки светлинни години. Не разполагаме с информационна технология за предаване на такова количество информация от такова разстояние благодарение на някакъв лек предавател, който може да се побере в дребната сонда.
Изглежда още веднъж сме в задънена улица. Всички наши технологии, даже и най-смелите, са лимитирани от фундаменталните закони на физиката или лишават хилядолетия.
Айнщайн идва на помощ: гравитацията като идеалната оптична леща
И тук на сцената се появява концепцията, стартирана от Слава Туришев. Идея, учредена на едно от най-красивите предсказания на общата доктрина на относителността на Айнщайн. Ами в случай че използваме самото Слънце като телескоп?
Според Айнщайн солидните обекти, като нашето Слънце, изкривяват пространство-времето към себе си. За светлината това деформиране работи като гигантска оптична леща. Светлинните лъчи от един отдалечен обект (нашата екзопланета), преминаващи покрай ръба на Слънцето, не просто се отклоняват, а се концентрират в една точка.
Гравитационна леща Тази точка е доста надалеч – на разстояние минимум 550 астрономически единици от Слънцето (астрономическата единица е дистанцията от Земята до Слънцето). Това е 14 пъти по-далеч, в сравнение с Плутон е от нас. Но изгодите от сходна „ слънчева гравитационна леща “ (SGL) са големи.
Усилването на светлината: гравитационната леща на Слънцето усилва светлината от екзопланетата десетки милиарди пъти! Проблемът с “фотонния бюджет “ изчезва. Вече не е належащо да чакаме хиляди години, с цел да съберем задоволително светлина. Разделителната дарба: Разделителната дарба на сходна система ни разрешава освен да забележим карта с размери 10×10 пиксела, само че и да забележим елементи от повърхността на планетата с размери десетки километри.Звучи ли това като научна фантастика? Донякъде да. За да се реализира, би трябвало да изпратим галактически уред до фокалната точка на 550 а.е. от Слънцето. Веднъж попаднал там, той ще би трябвало да се движи в кръг, сканирайки „ облика “, основан от лещата. Това е доста сложна инженерна задача, само че за разлика от всички останали способи, при нея няма фундаментални физически забрани. Това е въпрос на технология, която можем да разработим през идващите десетилетия, а не хилядолетия.
В работата си Туришев всъщност е направил проверка на нашите фантазии. Той сподели, че пътят към облика на друга Земя е дълъг и сложен, само че съществува. И той не е посредством създаване на все по-големи огледала, а посредством потребление на най-мощната мощ във Вселената – гравитацията. Мисията SGL не е просто следващият план. Тя може би е единственият действителен късмет на нашето потомство да надникне в различен, отдалечен и, кой знае, евентуално населен свят.
