Гравитационный телескоп как средство обхода ограничений оптических и радио телескопов
В статье, опубликованной 2 мая в The Astrophysical Journal, исследователи описывают способ манипулирования солнечным гравитационным линзированием для наблюдения за планетами за пределами нашей Солнечной системы. Расположив телескоп, солнце и экзопланету на одной линии с солнцем посередине, ученые могли бы использовать гравитационное поле солнца для увеличения света от экзопланеты, когда она проходит мимо. В отличие от увеличительного стекла с изогнутой поверхностью, преломляющей свет, гравитационная линза имеет искривленное пространство-время, что позволяет отображать удаленные объекты.
На диаграмме показан концептуальный метод визуализации, использующий гравитационное поле Солнца для увеличения света от экзопланет. Это позволило бы проводить продвинутые реконструкции того, как выглядят экзопланеты. Предоставлено: Александр Мадурович
С тех пор, как в 1992 году была открыта первая экзопланета, астрономы обнаружили более 5000 планет, вращающихся вокруг других звезд. Но когда астрономы обнаруживают новую экзопланету, мы мало что о ней узнаем: мы знаем, что она существует, и некоторые ее особенности, но остальное остается загадкой.
Чтобы обойти физические ограничения телескопов, астрофизики Стэнфордского университета работают над новым концептуальным методом визуализации, который будет в 1000 раз более точным, чем самая мощная технология визуализации, используемая в настоящее время. Воспользовавшись эффектом искривления пространства-времени гравитацией, называемым линзированием, ученые потенциально могут манипулировать этим явлением, чтобы создавать изображения, намного более совершенные, чем те, которые существуют сегодня.
В статье, опубликованной 2 мая в The Astrophysical Journal, исследователи описывают способ манипулирования солнечным гравитационным линзированием для наблюдения за планетами за пределами нашей Солнечной системы. Расположив телескоп, солнце и экзопланету на одной линии с солнцем посередине, ученые могли бы использовать гравитационное поле солнца для увеличения света от экзопланеты, когда она проходит мимо. В отличие от увеличительного стекла с изогнутой поверхностью , преломляющей свет, гравитационная линза имеет искривленное пространство-время , что позволяет отображать удаленные объекты.
«Мы хотим делать снимки планет, обращающихся вокруг других звезд, не хуже, чем снимки, которые мы можем сделать с планетами в нашей Солнечной системе», — сказал Брюс Макинтош, профессор физики в Школе гуманитарных и естественных наук в Стэнфорде. заместитель директора Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли (KIPAC). «С помощью этой технологии мы надеемся сделать снимок планеты на расстоянии 100 световых лет, который будет иметь такое же влияние, как снимок Земли, сделанный Аполлоном-8».
Загвоздка в настоящее время заключается в том, что предлагаемая ими техника потребует более совершенных космических путешествий, чем те, которые доступны в настоящее время. Тем не менее, перспективы этой концепции и то, что она может рассказать о других планетах, делают ее достойной дальнейшего рассмотрения и развития, говорят исследователи.
Преимущества легкого изгиба
Гравитационное линзирование экспериментально не наблюдалось до 1919 года во время солнечного затмения. Поскольку луна заслоняла солнечный свет, ученые смогли увидеть звезды рядом с солнцем, смещенные от их известных положений. Это было недвусмысленным доказательством того, что гравитация может искривлять свет, и первым наблюдательным доказательством того, что теория относительности Эйнштейна верна. Позже, в 1979 году, фон Эшлеман, профессор Стэнфорда, опубликовал подробный отчет о том, как астрономы и космические корабли могут использовать солнечную гравитационную линзу. (Тем временем астрономы, в том числе многие из Стэнфордского KIPAC, теперь регулярно используют мощную гравитацию самых массивных галактик для изучения ранней эволюции Вселенной.)
Но только в 2020 году метод визуализации был подробно изучен для наблюдения за планетами. Слава Турышев из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института описал метод, при котором космический телескоп может использовать ракеты для сканирования лучей света от планеты, чтобы восстановить четкое изображение, но этот метод потребует много топлива и времени.
Опираясь на работу Турышева, доктор философии Александр Мадурович студент KIPAC изобрел новый метод, который может реконструировать поверхность планеты по одному снимку, сделанному прямо на Солнце. Захватывая кольцо света вокруг Солнца, образованное экзопланетой, алгоритм, разработанный Мадуровичем, может не искажать свет от кольца, обращая вспять изгиб от гравитационной линзы, которая превращает кольцо обратно в круглую планету.
Мадурович продемонстрировал свою работу, используя изображения вращающейся Земли, сделанные спутником DSCOVR, который находится между Землей и Солнцем. Затем он использовал компьютерную модель, чтобы увидеть, как будет выглядеть Земля, если смотреть сквозь искажающие эффекты гравитации Солнца. Применив свой алгоритм к наблюдениям, Мадурович смог восстановить изображения Земли и доказать правильность своих расчетов.
Чтобы получить изображение экзопланеты через солнечную гравитационную линзу, телескоп должен быть расположен как минимум в 14 раз дальше от Солнца, чем Плутон, за краем нашей Солнечной системы и дальше, чем люди когда-либо отправляли космический корабль. Но расстояние между Солнцем и экзопланетой составляет ничтожную долю световых лет.
«Разгибая свет, преломляемый солнцем, можно создать изображение, намного превосходящее изображение обычного телескопа», — сказал Мадурович. «Итак, научный потенциал — это нераскрытая загадка, потому что он открывает новые возможности наблюдения, которых еще не существует».
Достопримечательности за пределами Солнечной системы
В настоящее время, чтобы получить изображение экзопланеты с разрешением, которое описывают ученые, нам понадобится телескоп в 20 раз шире Земли. Используя гравитацию Солнца как телескоп, ученые могут использовать его как массивную естественную линзу. Телескопа размером с Хаббл в сочетании с солнечной гравитационной линзой было бы достаточно, чтобы сфотографировать экзопланеты с достаточной мощностью, чтобы запечатлеть мелкие детали на поверхности.
«Солнечная гравитационная линза открывает совершенно новое окно для наблюдения», — сказал Мадурович. «Это позволит исследовать подробную динамику атмосфер планет, а также распределение облаков и особенностей поверхности, которые у нас сейчас нет возможности исследовать».
И Мадурович, и Macintosh говорят, что пройдет не менее 50 лет, прежде чем эта технология сможет быть развернута, а возможно, и дольше. Чтобы это было принято, нам понадобится более быстрый космический корабль, потому что с современными технологиями путешествие к линзе может занять 100 лет. Используя солнечные паруса или солнце в качестве гравитационной рогатки, время может сократиться до 20 или 40 лет. Макинтош сказал, что, несмотря на неопределенность временной шкалы, возможность увидеть, есть ли у некоторых экзопланет континенты или океаны, движет ими. Наличие любого из них является убедительным признаком того, что на далекой планете может быть жизнь.
«Это один из последних шагов в выяснении того, есть ли жизнь на других планетах», — сказал Макинтош. «Сфотографировав другую планету, вы могли бы посмотреть на нее и, возможно, увидеть зеленые участки, которые являются лесами, и голубые пятна, которые являются океанами — с этим было бы трудно утверждать, что на ней нет жизни».
