space

Как мы можем сфотографировать земные экзопланеты?

Даже самые большие телескопы на Земле не могут приблизиться к разрешению ближайшей к нам известной земной экзопланеты, Проксимы b. Если мы когда-нибудь захотим сфотографировать такой далекий мир, нам нужно мыслить масштабнее.

Один из способов — использовать солнце. Гравитация солнца изгибает пространство вокруг себя, и это изгибание способно отклонить путь света.

На подходящем расстоянии Солнце может действовать как гигантская увеличительная линза, обеспечивая разрешающую способность, необходимую для изображения экзопланеты. Итак, как мы можем доставить телескоп в невероятно далекое место, где он мог бы это сделать? Команда астрономов предложила использовать огромный легкий парус для приведения в движение космических кораблей.

Мечты об экзопланете

Астрономы ищут планету, похожую на Землю, вокруг звезды, похожей на Солнце, на нужном расстоянии, чтобы на ее поверхности могла существовать жидкая вода. На сегодняшний день мы не нашли эту планету Златовласки, несмотря на то, что собрали впечатляющую коллекцию из более чем 4000 известных экзопланет.

Подавляющее большинство охотников за экзопланетами основано на наблюдении за очень маленькими и очень удаленными объектами. Обычно у астрономов есть данные не более одного пикселя, с которыми они могут работать, и они наблюдают за вариациями яркости или изменениями в спектре света, чтобы определить существование экзопланеты.

В нескольких редких случаях астрономам удавалось делать снимки экзопланет, но это были особые случаи — соседние, абсолютно массивные планеты. Даже если бы мы нашли Землю 2.0, мы не смогли бы ее сфотографировать. Например, крупнейшим оптическим телескопом вскоре станет обсерватория им. Веры К. Рубина в Чили с апертурой 8,4 метра (27,6 фута).

Это действительно гигантский телескоп. Но если бы мы направили его на Проксиму b — ближайшую из известных экзопланет любого типа, находящуюся на расстоянии примерно 4 световых лет от нас, — на таком расстоянии она имела бы разрешающую способность 1,2 миллиона миль (1,9 миллиона километров), что составляет примерно В 150 раз больше ширины Земли.

Другие будущие телескопы, такие как Чрезвычайно большой телескоп в Чили и Тридцатиметровый телескоп на Гавайях, не смогут существенно повлиять на это количество. Все наши запланированные обсерватории, как космические, так и наземные, в ближайшие десятилетия никогда не смогут увидеть инопланетную планету как нечто большее, чем один пиксель света.

Изгиб гравитации

Допустим, однажды мы действительно подтверждаем существование Земли 2.0; мы находим обитаемый мир и с помощью спектроскопии определяем, что жизнь, возможно, нашла точку опоры. Как мы могли это сфотографировать? Ответ кроется в гравитации. Общая теория относительности Эйнштейна говорит нам, что материя и энергия искривляют пространство-время вокруг себя.

Свет вынужден следовать за этим изгибом пространства; везде, где изгибается пространство, должен следовать свет. Именно это отклонение света использовал британский астрофизик сэр Артур Эддингтон для выполнения первой экспериментальной проверки общей теории относительности, когда он исследовал отклонение звезд, свет которых касался поверхности Солнца во время солнечного затмения.

Из-за искривления пространства звезда оказалась не в той части неба, на расстоянии, идеально предсказанном уравнениями Эйнштейна. Массивные объекты действуют как линзы. И линзы не просто фокусируют свет; они увеличивают это. Если бы вы вообразили солнце как гигантское увеличительное стекло, все, что вам нужно было бы сделать, это поместить космический корабль в фокус этой линзы, чтобы воспользоваться всей этой увеличительной силой.

О какой мощности мы говорим? Гравитация Солнца может действовать как линза с увеличением в несколько сотен миллиардов. Космический корабль, использующий это преимущество, обученный на системе Проксима, будет иметь разрешающую способность в несколько миль. Это позволит ему наносить на карту континенты, океаны, ледяные шапки и, возможно, даже биомы.

Это было бы невероятно мощным окном во вселенную вокруг нас. Одна загвоздка: эта точка фокусировки, место, где нам нужно будет разместить телескоп, чтобы воспользоваться преимуществами солнечной гравитационной линзы, находится на расстоянии примерно 550 астрономических единиц (а.е.).

Одна а.е. — это среднее расстояние между Землей и Солнцем — около 150 миллионов км, то есть точка фокуса должна находиться на расстоянии 550 от Земли до Солнца. Это почти в 20 раз дальше, чем Плутон. «Вояджер-1», который улетел дальше от Земли, чем любой другой космический корабль, в настоящее время находится на расстоянии около 40 а.е. от Солнца.

Так как же нам доставить космический корабль в такое далекое место? Команда астрономов предложила решение: использовать легкий парус.

В своем предложении, изложенном в документе, размещенном на сервере препринтов arXiv в июле, исследователи предлагают использовать космический корабль не больше 220 фунтов. (100 кг) прикреплен к гигантскому легкому парусу, огромному полотну, имитирующему парус лодки.

Легкий парус будет использовать солнечный свет для приведения в движение космического корабля, потенциально путешествуя около 20 астрономических единиц в год. Это поместит телескоп — который не должен быть настолько впечатляющим, поскольку большую часть работы будет делать Солнце — в солнечной фокусной точке менее чем за четверть века.

Учитывая, сколько времени требуется на разработку, создание и запуск таких инструментов, как космический телескоп Джеймса Уэбба, это не так уж и сложно. Тем не менее, легкие паруса не использовались в космических путешествиях, за исключением ограниченных демонстраций технологий.

Потребовался бы огромный скачок в материаловедении и инженерии, чтобы спроектировать легкий парус, который действительно мог бы приводить в движение такой космический корабль. Таким образом, формирователь изображений экзопланет будущего может стать делом следующего поколения астрономов, но, по крайней мере, это не научная фантастика.

Поделиться с друзьями: