Ученые описали гравитационный телескоп, с помощью которого можно получить изображение экзопланет

За время, прошедшее с момента открытия первой экзопланеты в 1992 году, астрономы обнаружили более 5 000 планет, вращающихся вокруг других звезд. Но когда астрономы обнаруживают новую экзопланету, мы узнаем о ней не так уж много: Мы знаем, что она существует, и некоторые ее особенности, но остальное остается загадкой.
Чтобы обойти физические ограничения телескопов, астрофизики Стэнфордского университета работают над новой концептуальной техникой формирования изображений, которая будет в 1000 раз точнее, чем самая сильная технология формирования изображений, используемая в настоящее время. Используя эффект гравитационного искривления пространства-времени, называемый линзированием, ученые могут манипулировать этим явлением для создания изображений, гораздо более совершенных, чем все существующие сегодня.
В статье, опубликованной 2 мая в журнале Astrophysical Journal, исследователи описывают способ манипулирования солнечным гравитационным линзированием для просмотра планет за пределами нашей Солнечной системы. Расположив телескоп, Солнце и экзопланету на одной линии с Солнцем в центре, ученые могут использовать гравитационное поле Солнца для увеличения света от экзопланеты, когда она проходит мимо. В отличие от увеличительного стекла, которое имеет изогнутую поверхность, изгибающую свет, гравитационная линза имеет искривленное пространство-время, что позволяет получать изображения далеких объектов.
"Мы хотим сделать снимки планет, вращающихся вокруг других звезд, не уступающие по качеству снимкам планет нашей Солнечной системы", - сказал Брюс Макинтош, профессор физики в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфорда и заместитель директора Института астрофизики частиц и космологии имени Кавли (KIPAC). С помощью этой технологии мы надеемся сделать снимок планеты, находящейся на расстоянии 100 световых лет, который будет иметь такое же влияние, как снимок Земли, сделанный «Аполлоном-8»".
Загвоздка в том, что предложенная ими технология потребует более совершенных космических путешествий, чем те, которые доступны в настоящее время. Тем не менее, перспективность этой концепции и то, что она может рассказать о других планетах, делает ее достойной дальнейшего рассмотрения и развития, говорят исследователи.
Преимущества изгибания света
Гравитационное линзирование не наблюдалось экспериментально до 1919 года во время солнечного затмения. Из-за того, что луна загораживала свет от солнца, ученые смогли увидеть звезды вблизи солнца, смещенные от их известного положения. Это было неоспоримым доказательством того, что гравитация может искривлять свет, и первым наблюдательным доказательством правильности теории относительности Эйнштейна. Позже, в 1979 году, фон Эшлеман, профессор Стэнфорда, опубликовал подробный отчет о том, как астрономы и космические аппараты могут использовать солнечную гравитационную линзу. (Между тем, астрономы, включая многих сотрудников Стэнфордского института KIPAC, в настоящее время регулярно используют мощную гравитацию самых массивных галактик для изучения ранней эволюции Вселенной).
Но только в 2020 году техника формирования изображений была подробно изучена для наблюдения за планетами. Слава Турышев из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института описал метод, при котором космический телескоп может использовать ракеты для сканирования вокруг лучей света от планеты, чтобы восстановить четкую картину, но этот метод потребует много топлива и времени.
Основываясь на работе Турышева, Александр Мадурович, аспирант KIPAC, изобрел новый метод, позволяющий восстановить поверхность планеты по одному снимку, сделанному прямо на Солнце. Захватив кольцо света вокруг Солнца, образованное экзопланетой, алгоритм, разработанный Мадуровичем, может исказить свет от кольца, изменив изгиб от гравитационной линзы, что превращает кольцо обратно в круглую планету.
Мадурович продемонстрировал свою 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 сквозь искривляющий эффект солнечной гравитации. Применив свой алгоритм к наблюдениям, Мадурович смог восстановить изображения Земли и доказать правильность своих расчетов.
Для того чтобы получить изображение экзопланеты через солнечную гравитационную линзу, телескоп должен быть расположен по крайней мере в 14 раз дальше от Солнца, чем Плутон, за краем нашей Солнечной системы и дальше, чем люди когда-либо отправляли космические аппараты. Но это расстояние составляет крошечную долю световых лет между Солнцем и экзопланетой.
"Разгибая свет, изгибаемый Солнцем, можно создать изображение, намного превосходящее возможности обычного телескопа", - сказал Мадурович. "Таким образом, научный потенциал является неиспользованной тайной, потому что он открывает новые возможности для наблюдений, которых еще не существует".
За пределами Солнечной системы
В настоящее время для получения изображения экзопланеты с таким разрешением, как описывают ученые, нам потребуется телескоп в 20 раз шире Земли. Используя гравитацию Солнца как телескоп, ученые могут использовать его в качестве массивной природной линзы. Телескопа размером с Хаббл в сочетании с солнечной гравитационной линзой будет достаточно для получения изображений экзопланет с достаточной мощностью, чтобы запечатлеть мелкие детали на поверхности.
"Солнечная гравитационная линза открывает совершенно новое окно для наблюдений", - говорит Мадурович. "Это позволит исследовать детальную динамику атмосфер планет, а также распределение облаков и особенности поверхности, которые мы не имеем возможности исследовать сейчас".
Мадурович и Макинтош говорят, что до внедрения этой технологии пройдет минимум 50 лет, а скорее всего, и больше. Для ее внедрения нам понадобятся более быстрые космические аппараты, поскольку при нынешней технологии путешествие к линзе может занять 100 лет. При использовании солнечных парусов или Солнца в качестве гравитационной рогатки это время может составить 20 или 40 лет. Несмотря на неопределенность сроков, по словам Макинтоша, им движет возможность увидеть, есть ли на некоторых экзопланетах континенты или океаны. Наличие любого из них является сильным признаком того, что на далекой планете может существовать жизнь.
"Это один из последних шагов в выяснении того, есть ли жизнь на других планетах", - сказал Макинтош. "Сделав снимок другой планеты, вы можете посмотреть на нее и, возможно, увидеть зеленые пятна, которые являются лесами, и синие пятна, которые являются океанами - с этим будет трудно утверждать, что на ней нет жизни".....