Техніко-економічне обґрунтування спеціального космічного телескопа (SGLT), заснованого на гравітаційному лінзуванні нашого Сонця, який міг вивчати поверхню екзопланет ближче 100 світлових років з роздільною здатністю один кілометр та їх атмосферу за допомогою спектроскопії високого дозволу з надзвичайно хороше співвідношення сигнал/шум.

зробити
Ілюстрація. Насправді дизайнери очікують набагато кращого дозволу, ніж це. Джерело: С. Г. Туришев та ін. (2018)

З загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна в 1915 році ми знали, що небесні тіла, завдяки своїй масі, вигинають простір-час навколо них. Ця кривизна є не чим іншим, як самою силою тяжіння, і гравітаційне поле відхиляє речі, які проходять через нього, включаючи світло. Це основа явища гравітаційної лінзи. Гравітаційне поле небесного тіла, як і оптична лінза, здатне сфокусувати промені світла, посилюючи світло віддалених небесних тіл. Раб Туришев (Лабораторія реактивного руху, КалТех, Каліфорнія, США) та його колеги досліджували можливість використання екзопланетного телескопа (SGLT), що використовує ефект гравітаційної лінзи Сонця. Під час дослідження не було виявлено жодних теоретичних перешкод, однак, ряд технологічних розробок все ще необхідні, поки вони не стануть практичними.

Гравітаційне поле зірки спотворює зображення віддалених небесних тіл саме за нею у цілісне кільце Ейнштейна, значно посилюючи її світло. Через масу і щільність Сонця, щоб спостерігати за цим кільцем, ми повинні відійти від нього щонайменше на 550 астрономічних одиниць (CSE, відстань Сонце-Земля). З такої відстані кільце Ейнштейна було б видно безпосередньо біля поверхні, в найяскравішій області сонячної корони. Однак диск Сонця та світліші ділянки всередині коронки повинні бути покриті графіком коронки, щоб зробити кільце Ейнштейна помітним. Таким чином, перспективний телескоп повинен бути розміщений на відстані щонайменше 650 CSE від Сонця. Для порівняння, найдальший техногенний пристрій - космічний корабель "Вояджер-1", запущений більше 40 років тому, наразі знаходиться на відстані 141,38 к. Завдяки нашій сучасній ракетній технології, належним маневрам повороту або доступному сонячному вітрилу космічний корабель може подолати таку велику відстань за 30 років. Правда, для цього потрібен надзвичайний наближення до Сонця під час одного з маневрів маху, тому вам також потрібно буде взяти з собою хороший тепловий захист.

Потрібно відійти від Сонця щонайменше 550 КСЕ, щоб побачити кільце Ейнштейна екзопланети відразу за нею (ліворуч) уздовж краю зірки. Однак можна відійти до більш ніж 650 CSE, щоб кільце Ейнштейна з'явилося на достатній відстані від зоряного диска в більш слабкій області корони (праворуч). Сонячний диск і внутрішні ділянки коронки повинні бути покриті графіком коронки. Джерело: С. Г. Туришев та ін. (2018)

Однак, якби ми все ще могли потрапити космічний корабель у фокус гравітаційної лінзи, ми отримали б прилад, який обіцяє надзвичайні можливості. Світлозбиральна здатність SGLT діаметром 1 м, що знаходиться в 750 CSE від нашої зірки, еквівалентна звичайному телескопу діаметром 80 км без гравітаційних лінз. Згідно з концепцією, космічний корабель, досягнувши передбачуваної відстані, має приблизно Переміщення в циліндрі діаметром 1300 м сканувало б поверхню планети за місяці роботи. Звичайно, цей процес сканування також буде набагато складнішим, ніж здається, оскільки все у Всесвіті рухається. Не тільки зонд та екзопланета, які ви хочете вивчити, але й наші центральні зірки рухаються відносно одна одної. Більше того, навіть світлозбиральний оптичний елемент, саме Сонце, рухається відносно центру мас Сонячної системи. Тому ціль потрібно сканувати у двох циліндрах діаметром 1,3 км навколо осі, визначеної центром ваги екзопланети та Сонця, двох небесних тіл, які рухаються складно відносно один одного, на відстані 3,75 світлових днів від наземний контроль.

Моделювання. Вгорі - карта альбедо Землі в певний час, за заданої довжини хвилі. Використовуючи це, експерти створили криву світла, яку можна спостерігати за проектом приладу, з якої нижня фігура була отримана шляхом деконволюції, що відповідає оберненій операції. Розмноження ідеальне. Джерело: С. Г. Туришев та ін. (2018)

Після вирішення всіх труднощів, пов’язаних з геометричним регулюванням, телескоп щомиті бачить зображення екзопланети, спотворене в кільце, невпізнаване гравітаційною лінзою. З цих послідовних знімків буде потрібно відтворити зображення поверхні планети за допомогою складних математичних методів. Також метод розрахований авторами дослідження, щоб забезпечити дивовижну роздільну здатність 1 км. Звичайно, ця деконволюція теж буде непростою. Наша екзопланета буде обертатися під час спостережень, в її атмосфері, ймовірно, буде розташовуватися атмосфера погоди, тобто утворюватимуться та рухатимуться хмари, і фаза освітлення планети також не буде постійною. Досягнення деконволюції з високою роздільною здатністю стане в нагоді

Надзвичайно високе відношення сигнал/шум у кільці Ейнштейна з ефективної 80-кілометрової поверхні, що збирає світло. На додаток до картографування поверхні планети, зонд також дав би надзвичайно точні спектри цілі з високою роздільною здатністю, в яких ми могли б вивчити можливі ознаки життя за допомогою біомаркерів.

За замовчуванням ціллю була б планета, схожа на Землю, планета, яка обертається в зоні проживання зорі сонячного типу. Ми визначимо багато з них найближчим часом у нашому 100-світловому році за допомогою запланованого приладу, тому цілей не буде бракувати. Коли ж тоді очікується будівництво та успішна експлуатація СГЛТ? З невеликою удачею, можливо, навіть у цьому столітті ...

Джерело: Слава Г. Туришев та ін. «Пряме багатопіксельне зображення та спектроскопія екзопланети з місією сонячної гравітаційної лінзи», 23 лютого 2018 року, Підсумковий звіт щодо пропозиції Фази I щодо інноваційних передових концепцій НАСА (NIAC) - arXiv pdf