Ученые описали гравитационный телескоп, который сможет снимать экзопланеты

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 для создания более совершенных изображений, 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 Солнечной системы. Разместив телескоп, Солнце и экзопланету на одной линии со звездой 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 вокруг других звезд не хуже, чем снимки планет в нашей Солнечной системе», — сказал Брюс Макинтош, профессор физики в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфорда, 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 такого же качества, как снимок Земли, сделанный Аполлоном-8».

Загвоздка в настоящее время в том, что предлагаемая ими техника потребует более совершенных космических путешествий, чем доступные в настоящее время. И все же 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.

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 для восстановления четкого изображения, 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 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 расчетов.

Чтобы получить изображение экзопланеты через солнечную гравитационную линзу, телескоп должен быть расположен как минимум в 14 раз дальше от Солнца, чем Плутон, за границей 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, понадобится телескоп в 20 раз шире Земли. Используя гравитацию Солнца как телескоп, возможно 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 для запечатления мелких деталей на поверхности.

«Солнечная гравитационная линза открывает совершенно новое окно для наблюдения», — сказал Мадурович. «Это позволит исследовать детальную динамику атмосфер планет, а также распределение облаков и особенностей поверхности, которые у нас сейчас нет возможности изучать».

И Мадурович, и Макинтош говорят, что пройдет не менее 50 лет, прежде чем эта технология сможет быть развернута, а возможно, и дольше. Чтобы это было принято, 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. По словам Макинтоша, несмотря на неопределенность временной шкалы, ими движет возможность увидеть, есть ли у некоторых экзопланет континенты или океаны. 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 и увидев зеленые участки, которые являются лесами, и голубые пятна океанов — с этим было бы трудно утверждать, что на ней нет жизни».