En rummission til solens gravitationsfokus

Jagten på en jordlignende planet, der kredser om en anden stjerne, er en af ​​astronomiens største udfordringer. Det er en opgave, der ser ud til at være tæt på at blive udført. Siden astronomer så den første exoplanet i 1988, har de fundet mere end 2.000 andre.

De fleste af disse planeter er enorme, fordi større objekter er nemmere at få øje på. Men efterhånden som sanseteknikker og -teknologier forbedres, finder astronomer planeter, der matcher Jordens vitale statistikker stadig tættere.

De er endda begyndt at bruge et rangordningssystem kaldet Earth Similarity Index til at kvantificere, hvor ens en exoplanet er moderplaneten. Den exoplanet, der i øjeblikket rangerer højest, er Kepler-438b, som kredser i den beboelige zone af en rød dværg i stjernebilledet Lyra omkring 470 lysår herfra.

Kepler-438b har et Earth Similarity Index på 0,88. Til sammenligning har Mars en ESI på 0,797, så den er mere jordlignende end vores nærmeste nabo. Det er spændende, men det er uundgåeligt, at astronomer vil finde planeter med endnu højere indeks i den nærmeste fremtid.

Og det rejser et interessant spørgsmål: hvor meget kan vi nogensinde vide om disse planeter, givet deres størrelse og afstand fra os? Den begrænsede størrelse af kredsende teleskoper sætter trods alt alvorlige begrænsninger på, hvor meget lys og information vi kan indsamle fra en jordanalog.

Men der er en anden mulighed - solens tyngdefelt kan fokusere lyset. Placer et teleskop i fokuspunktet for denne gigantiske linse, og det skulle blive muligt at studere et fjernt objekt med hidtil usete detaljer. Men hvor godt ville sådan en linse være; hvad ville det afsløre, som vi ikke kunne se med vores egne teleskoper?

I dag får vi svar på disse spørgsmål takket være Geoffrey Landis' arbejde ved NASAs John Glenn Research Center i Cleveland. Landis har analyseret sollinsens opløsningsevne og fundet ud af, hvor god den kunne være.

Den grundlæggende fysik er ligetil og er blevet udarbejdet i nogle detaljer af astronomer i fortiden. Generel relativitetsteori forudsiger, at lys skal bøje sig omkring enhver massiv genstand. Effekten er dog lille og kan kun observeres med genstande af virkelig enorm masse.

På trods af sin størrelse bøjer solen kun lyset en lille smule. Derfor er fokuspunktet for vores sollinse mindst 550 astronomiske enheder væk. Det er uden for kredsløbet om Pluto og Kuiperbæltet, som strækker sig kun 50 AU.

Ikke desto mindre er det et fristende springbræt, da der er ringe interesse mellem Kuiperbæltet og den næste nærmeste stjerne, Alpha Centauri, som er 280.000 AU væk. Der er således et stærkt incitament til at finde et eller andet plausibelt mål i at besøge gravitationsfokuset, som et potentielt mellemtrin mod en fremtidig interstellar mission, siger Landis.

Men der er betydelige udfordringer ved at bruge solen som gravitationslinse. Den første er relateret til pegning og brændvidde. Ideen er at placere et rumfartøj på den modsatte side af solen i forhold til exoplaneten, men det kan ikke sidde præcis i det brændpunkt, hvor lyset fra exoplaneten konvergerer.

Det er fordi ethvert billede ville blive overdøvet af lys fra solen, som stadig ville være det lyseste objekt på himlen. I stedet ville rumfartøjet sidde ud over det brændpunkt, hvor lyset fra exoplaneten ville blive til en Einstein-ring omkring solen. Det er denne ring, som missionen skal prøve.

Men det er ikke kun solen, der kan overdøve billedet. Solkoronaen, auraen af ​​plasma, der omgiver solen, er også et problem, og det strækker sig meget længere. For at sikre, at Einstein-ringen er større end koronaen og ikke skjules af den, ville missionen skulle sidde endnu længere, i en afstand på mere end 2.000 AU, siger Landis. Det er meget længere end de 550 AU, som tidligere analyser har foreslået.

Det er en simpel sag at vise, at denne mission kun kunne have et enkelt mål. For at pege på et andet objekt kun 1 grad væk, skal teleskopet bevæge sig mindst 10 AU rundt om solen, svarende til afstanden fra Jorden til Saturn. En væsentlig forskel på solens gravitationslinse fra et konventionelt teleskop er, at gravitationslinseteleskopet ikke i nogen praktisk forstand er egnet, siger Landis.

Men givet et specifikt mål, producerer solens brændvidde en enormt forstørret udsigt. For at demonstrere sit potentiale bruger Landis det hypotetiske eksempel på en exoplanet, der kredser om en stjerne omkring 35 lysår væk. Hvis denne planet havde samme størrelse som Jorden, ville billedet i solens brændplan være 12,5 kilometer på tværs.

Så missionen kunne kun nogensinde se en lille brøkdel af planetens overflade. Faktisk ville et teleskop med en en meter detektor afbilde et kvadratisk område på en kilometer på planetens overflade - det er mindre end New Yorks Central Park.

Det er vanskeligt at pege et teleskop mod et område så lille og fjernt. Der kan ikke være et kikkertkikkert på et sådant teleskop, fordi målet ville være usynligt undtagen ved brug af gravitationslinsen. Så exoplanetens position skal kendes med høj præcision.

Selv da vil det ikke være trivielt at pege på det. At finde en planet med en diameter på ~10^4 km i en afstand på 10^14 km kræver en pegeviden og en pegningsnøjagtighed på 0,1 nanoradianer, siger Landis. State-of-the-art pege nøjagtighed er i dag omkring 10 nanoradians.

Men det er kun begyndelsen. Exoplaneten vil bevæge sig, mens den kredser om sin stjerne. Landis analyserer, hvad der ville ske, hvis exoplaneten har samme kredsløbshastighed som Jorden, 30 km/sek. I så fald vil en én kilometer lang sektion af planeten krydse en én-meters detektor på kun 33 millisekunder, og hele planeten vil glide forbi på 42 sekunder.

Det vil være svært at forhindre sløring ved at flytte teleskopet for at spore billedet. Landis siger, at rumfartøjet bliver nødt til at ændre sin hastighed med 30 meter i sekundet for at følge med, og at det i løbet af et år ville følge en ellipse med en semi-hovedakse på omkring 150.000 kilometer. Det er ikke klart, hvilken slags fremdriftssystem der ville være i stand til dette.

Alternativet er selvfølgelig at bruge billedbehandlingsteknikker til at fjerne sløringen, hvilket i stigende grad kan lade sig gøre med nutidens teknologi.

Et andet stort problem er at filtrere lyset fra solen, for ikke at nævne exoplanetens moderstjerne, som vil være størrelsesordener lysere end målet. Teleskopet skal også minimere interferens fra andre kilder, såsom stjernetegnslys. Der har været mange kræfter i dette for den nuværende generation af planetjagtteleskoper. Ikke desto mindre, siger Landis, er dette ikke et trivielt problem.

I betragtning af alle disse problemer, hvor meget bedre er billedet fra en gravitationslinse sammenlignet med et billede uden linse? Landis skøn er, at linsen øger intensiteten af ​​lys fra exoplaneten med en faktor på 100.000.

Det er en væsentlig fordel. Men det kan kun realiseres, hvis exoplanetlyset godt kan adskilles fra lyset fra andre kilder såsom solen, koronaen, moderstjernen og så videre. Og dette er en stor ukendt.

Missionens nytte afhænger af dette. I betragtning af alle vanskelighederne, er det så værd at rejse ud til mere end 600 AU for blot at få en faktor på 100.000? Er det nok? spørger Landis.

Det er et spørgsmål, som astronomer, finansieringsbureauer og offentligheden som helhed bliver nødt til at overveje i nogle detaljer. Landis foreslår ikke, at en sådan mission skal udføres nu eller overhovedet er mulig eller overkommelig. Men hans analyse har bestemt øget indsatsen.

Går man videre, synes det svært at undervurdere betydningen af ​​at finde en jordanalog, der har potentialet til at understøtte liv. Ideen om at kortlægge områder på denne planet, der kun er en kilometer store, vil være en stærk motivation.

På Jorden ville denne slags billeder afsløre øer, floder, parker, Great Walls, motorveje, byer og så videre. Måske afslører et rumfartøj, der sidder i gravitationsfokus for en fjern stjerne, disse ting lige nu for en tryllebundet fremmed befolkning. Tænk engang.

Ref: arxiv.org/abs/1604.06351 : Mission til solens gravitationsfokus: En kritisk analyse

skjule