Futurystyczna technologia opracowana przez naukowców ze Uniwersytetu Stanforda ma umożliwić zupełnie nowe obrazowanie astronomiczne – o wiele bardziej zaawansowane i precyzyjne niż dotychczasowe.
Od czasu odkrycia pierwszej egzoplanety przez profesora Wolszczana (jeszcze w 1992 roku!) naukowcy zidentyfikowali już ponad pięć tysięcy globów krążących wokół innych gwiazd. Jednak zwykle gdy astronomowie wykrywają nową egzoplanetę, tak naprawdę nie dowiadujemy się o niej zbyt wiele. Wiadomo wówczas (i to w najlepszym przypadku), że taka planeta istnieje, znamy kilka jej charakterystycznych cech, ale reszta pozostaje tajemnicą. Egzoplanety są po prostu za daleko i są za małe, by dało się im zrobić wyraźne zdjęcia, tak jak w przypadku planet naszego układu.
By obejść te fizyczne ograniczenia teleskopów, astrofizycy z Uniwersytetu Stanforda opracowali nową technikę obrazowania, która po pomyślnym wdrożeniu byłaby około tysiąc razy bardziej czuła niż najlepsze z obecnie stosowanych metod. Wykorzystując dobrze nam już znane soczewkowanie grawitacyjne, czyli efekt wypaczania czasoprzestrzeni przez silne pola grawitacyjne, moglibyśmy umiejętnie manipulować tym zjawiskiem w celu otrzymania o wiele dokładniejszych obrazów odległych obiektów.
Soczewkowanie grawitacyjne zostało potwierdzone eksperymentalnie w 1919 roku podczas zaćmienia Słońca. Gdy Księżyc tymczasowo zasłaniał wówczas tarczę słoneczną, naukowcy byli w stanie zobaczyć gwiazdy znajdujące się w pobliżu Słońca, jednak nieco przesunięte względem swych dobrze znanych pozycji na niebie. Gdy obserwujemy gwiazdy nocą, są one w naturalny sposób daleko od Słońca, a zatem jego silna grawitacja nie zakrzywia wtedy ich światła względem ziemskiego obserwatora. Zaćmienia Słońca są zatem unikalną okazją, aby takie przesunięcia dostrzec i zmierzyć. W roku 1919 był to jednoznaczny dowód na to, że grawitacja może zakrzywiać światło, ale i pierwszy obserwacyjny dowód na słuszność teorii względności.
Nieco później, w 1979 roku, profesor von Eshleman opublikował szczegółowy opis sposobów, na jakie astronomowie i statki kosmiczne mogą w praktyce wykorzystać soczewkę grawitacyjną Słońca. Jednak dopiero po blisko stu latach, w 2020 roku, ta technika obrazowania została dobrze zbadana również pod kątem ewentualnych obserwacji odległych planet. Slava Turyshev z Caltechu zaprezentował metodę, w której teleskop kosmiczny mógłby odtworzyć wyraźny obraz dalekiej egzoplanety. Już wtedy było jednak wiadomo, że wymaga to sporo paliwa rakietowego i... czasu.
Teraz, w nowej pracy opublikowanej w „The Astrophysical Journal”, naukowcy ze Uniwersytetu Stanforda opisują własny sposób wykorzystania grawitacyjnego soczewkowania Słońca do podglądania planet znajdujących się poza Układem Słonecznym. Ustawiając teleskop, Słońce i egzoplanetę w jednej linii, ze Słońcem pośrodku, teoretycznie można wykorzystać pole grawitacyjne Słońca do wielokrotnego powiększenia obrazu takiej egzoplanety. Wówczas, podobnie jak lupa, której zakrzywiona powierzchnia ugina promienie światła, soczewka grawitacyjna zakrzywiałaby silnie czasoprzestrzeń, umożliwiając precyzyjne zobrazowania dalekich planet.
Celem jest uzyskanie zdjęć egzoplanet o jakości takiej, jak w przypadku fotografii planet obecnych w naszym układzie. Zespół ma nadzieję, że dzięki nowej technologii uda się na przykład zrobić wyraźne „zdjęcie” planecie odległej od nas o jakieś sto lat świetlnych. Byłoby ono zdaniem autorów pracy mniej więcej tak samo wyraźne, jak zdjęcie Ziemi pochodzące z misji Apollo 8.
Earthrise (Wschód Ziemi) – zdjęcie Ziemi wynurzającej się zza horyzontu Księżyca wykonane 24 grudnia 1968 roku podczas misji Apollo 8. Źródło:
Opierając się na pracy Turysheva, główny autor publikacji, Alexander Madurowicz z Uniwersytetu Stanforda, opracował metodę pozwalającą zrekonstruować powierzchnię planety na podstawie jednego zdjęcia wykonanego przy bezpośrednim spoglądaniu na nią, gdy jest ona za Słońcem. Po uchwyceniu charakterystycznego pierścienia światła wokół Słońca, utworzonego przez tę odległą egzoplanetę, algorytm opracowany przez Madurowicza byłby w stanie odtworzyć oryginalne światło składające się na taki pierścień poprzez cyfrowe odwrócenie zjawiska ugięcia światła w soczewce grawitacyjnej. Inaczej mówiąc, algorytm umożliwia przekształcenie pierścienia z powrotem w okrągłą tarczę planety.
Madurowicz zademonstrował już swoją pracę w praktyce, wykorzystując zdjęcia Ziemi wykonane przez satelitę DSCOVR, który znajduje się dość blisko nas, między Ziemią a Słońcem. Jego model komputerowy pozwolił zobaczyć, jak wyglądałaby Ziemia obserwowana jako zniekształcenie wywołane grawitacją Słońca. Stosując swój algorytm, był w stanie odtworzyć rzeczywisty obraz Ziemi i tym samym dowieść, że jego obliczenia są poprawne.
Problem polega na tym, że zaproponowana technika wymaga odbywania bardziej zaawansowanych podróży kosmicznych niż te, które są dla nas obecnie dostępne. Aby uchwycić obraz egzoplanety generowany przez słoneczną soczewkę grawitacyjną, odpowiedni teleskop musiałby być umieszczony co najmniej 14 razy dalej od Słońca niż Pluton, a zatem już poza krawędzią Układu Słonecznego. To znacznie dalej, niż kiedykolwiek dotarł wysłany przez ludzi statek kosmiczny. Odległość ta stanowi jednak wciąż niewielki ułamek lat świetlnych dzielących Słońce od najbliższych egzoplanet.
Znacznie wykraczałoby to poza możliwości zwykłego teleskopu optycznego – i to nawet najbardziej zaawansowanego. Teleskop grawitacyjny otwiera zupełnie nowe możliwości obserwacyjne i nowe okno na Wszechświat. Obecnie do zobrazowania egzoplanety z tak wysoką rozdzielczością potrzebowalibyśmy teleskopu optycznego o średnicy 20 razy większej niż średnica samej Ziemi. Używając grawitacji Słońca jako teleskopu, można jednak wykorzystać ją jako ogromną, naturalną soczewkę. Teleskop o parametrach Teleskopu Hubble'a, w połączeniu z tą słoneczną soczewką grawitacyjną, umożliwiłby wykonanie zdjęć wielu egzoplanet z czułością wystarczającą do uchwycenia drobnych szczegółów na ich powierzchniach – w tym dynamiki ich atmosfer, rozkładu chmur i innych cech, których obecnie nie mamy jak badać.
Według Madurowicza i drugiego autora publikacji, Bruce'a Macintosha, ewentualne wdrożenie nowej technologii zajmie co najmniej 50 lat. Potrzebne będą szybsze statki kosmiczne, bo przy obecnych możliwościach podróż teleskopu w odpowiednie miejsce może zająć aż sto lat. Przy użyciu żagli słonecznych lub Słońca jako procy grawitacyjnej czas ten mógłby zostać skrócony do mniej więcej 30 lat. To wciąż długo, ale zdaniem autorów możliwość sprawdzenia, czy niektóre z egzoplanet mają kontynenty lub oceany, po prostu jest tego warta.
To jeden z ostatnich kroków do odkrycia, czy na innych planetach może istnieć życie – podsumowuje Macintosh. Mając takie zdjęcie planet, można na niej zobaczyć zielone plamy będące lasami, i niebieskie plamy – oceany.
Czytaj więcej:
Źródło: news.stanford.edu
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Schemat przedstawiający metodę obrazowania wykorzystującą pole grawitacyjne Słońca do wzmocnienia światła pochodzącego z egzoplanety. Pozwoliłoby to na bardzo zaawansowane rekonstrukcje jej wyglądu. Źródło: Alexander Madurowicz
