Исследователи разрабатывают новый телескоп для наблюдения за поверхностью экзопланет
Недавно НАСА подтвердило существование более 5000 планет далеко за пределами нашей Солнечной системы. Однако мы очень мало знаем об этих тысячах других миров, кроме того, как далеко они находятся и к какому типу планет относятся (газовые гиганты, ледяные гиганты, суперземли и т.д.). Существующие телескопы не дают детального представления об этих далеких планетах. Но астрофизики из Стэнфордского университета предлагают новую технику визуализации, которая может быть намного точнее, чем существующие технологии.
Большинство экзопланет обнаруживаются с помощью так называемых косвенных методов, поскольку свет, излучаемый их звездой, обычно затмевает их собственный свет. Астрономы часто используют метод радиальных скоростей, который основан на том, что экзопланеты оказывают гравитационное воздействие на свою звезду, заставляя ее слегка колебаться вокруг своего положения, что приводит к изменению длины волны излучаемого ею света. Транзитный метод изучает периодическое изменение яркости звезды, которая уменьшается при прохождении планеты перед ней (между звездой и точкой наблюдения).
Исследователи также используют эффект гравитационного микролинзирования, который возникает, когда гравитационное поле звезды искажает окружающее пространство-время, отклоняя свет от далекой звезды на задний план (подобно оптической линзе). Но этот эффект возможен только тогда, когда звезды выровнены по отношению к наблюдателю. Александр Мадурович и Брюс Макинтош, исследователи из Института астрофизики частиц и космологии имени Кавли при Стэнфордском университете, использовали эффект гравитационного линзирования для разработки нового типа чрезвычайно мощного телескопа.
Совершенно новое окно для наблюдения
Два исследователя считают, что можно манипулировать этим явлением для получения изображения очень удаленных объектов. В частности, они считают, что телескоп может быть разработан таким образом, чтобы использовать гравитационное поле Солнца для усиления света от далекой экзопланеты; для этого необходимо выровнять телескоп, Солнце и экзопланету (так, чтобы Солнце находилось в центре). «Мы хотим сделать снимки планет, вращающихся вокруг других звезд, не хуже, чем снимки планет нашей Солнечной системы», — сказал Брюс Макинтош в своем заявлении.
Впервые эффект гравитационного линзирования был замечен в 1919 году во время солнечного затмения: когда Луна на мгновение заслонила Солнце, ученые заметили, что близкие к Солнцу звезды выглядят смещенными относительно своего истинного положения. Это было первое доказательство влияния гравитации на путь света. Только в 2020 году эта техника визуализации была исследована по-настоящему: в работе, опубликованной в журнале Physical Review D. В работе описали реализацию космического телескопа, способного использовать солнечную гравитационную линзу.
«[Этот объектив] обеспечивает усиление яркости примерно до 1×1011 раз и исключительное угловое разрешение (около 1×10-10 угловых секунд). Таким образом, он предлагает исключительные наблюдательные возможности для прямой съемки с высоким разрешением«, — объяснил тогда Турышев. Этот подход предполагал оснащение телескопа ракетами, чтобы он мог сканировать световые лучи планеты для восстановления четкого изображения; но этот метод потребовал бы слишком много топлива и времени.
Однако Александр Мадурович, основываясь на этой работе, разработал новую методику получения изображения планеты из одного снимка, полученного при наведении телескопа на Солнце. Если говорить конкретно, то его метод заключается в захвате кольца света, создаваемого вокруг Солнца экзопланетой (известного как кольцо Эйнштейна), а затем в применении алгоритма, который изменяет направление изгиба световых лучей, создаваемых линзой, чтобы получить изображение планеты.
Концепция, ограниченная нашими возможностями космических путешествий
«С помощью этой технологии мы надеемся сделать снимок планеты, находящейся на расстоянии 100 световых лет от нас, который будет иметь такое же влияние, как снимок Земли, сделанный «Аполлоном-8«», — говорит Макинтош. При современных методах получения изображений для достижения такого разрешения потребовался бы телескоп размером в 20 раз больше Земли!
В качестве доказательства концепции Мадурович использовал изображения нашей планеты, сделанные спутником NASA Deep Space Climate Observatory, расположенным в точке Лагранжа L1, между Землей и Солнцем. Используя компьютерное моделирование, он впервые получил изображение Земли через солнечную гравитационную линзу. Затем он реконструировал изображение нашей планеты, применив к этому обзору свой алгоритм.
Хотя этот метод эффективен, он требует размещения телескопа далеко за пределами нашей Солнечной системы, по крайней мере, в 14 раз дальше от Солнца, чем Плутон! К сожалению, мы еще никогда не отправляли космические аппараты так далеко. Таким образом, по оценкам двух ученых, эта технология, вероятно, не будет развернута в течение как минимум 50 лет или более. Прежде всего, для ее реализации необходимы более быстрые космические аппараты, поскольку в настоящее время потребуется около 100 лет, чтобы доставить телескоп в оптимальное положение.
Однако эта концепция заслуживает более широкого изучения, поскольку она позволит нам узнать гораздо больше о других планетах: от динамики атмосфер до некоторых характеристик поверхности (в частности, наличия океанов) и распределения облаков. Для исследователей это был бы идеальный способ поиска других форм жизни. «Если бы вы сделали снимок другой планеты, вы могли бы посмотреть на нее и в итоге увидеть зеленые участки, которые являются лесами, и синие участки, которые являются океанами, и было бы трудно утверждать, что на ней нет жизни«, — заключает Макинтош.
Источник: А. Мадурович и Б. Макинтош, Астрофизический журнал.