Sci-fi vagy valóság: hogyan készíthetünk kilométeres felbontású képeket exobolygók felszínéről?

7405

A napokban látott napvilágot a Napunk gravitációs lencsézésére alapuló különleges űrteleszkóp (SGLT) megvalósíthatósági tanulmánya, amellyel 100 fényévnél közelebbi exobolygók felszíne kilométeres felbontással, légkörük pedig rendkívül jó jel/zaj viszonyú nagy felbontású spektroszkópiával lenne tanulmányozható.

Illusztráció. Valójában ennél sokkal jobb felbontást várnak a tervezők. Forrás: S. G. Turyshev et al. (2018)

Albert Einstein 1915-ös általános relativitáselmélete óta tudjuk, hogy az égitestek tömegüknél fogva meggörbítik maguk körül a téridőt. Ez a görbület nem más, mint a gravitáció maga, a gravitációs tér pedig eltéríti a rajta áthaladó dolgokat, beleértve a fényt is. Ez a gravitációslencse-jelenség alapja. Egy égitest gravitációs tere optikai lencséhez hasonlóan képes fókuszálni a fénysugarakat, felerősítve a távoli égitestek fényét. Slave Turyshev (Jet Propulsion Laboratory, CalTech, Kalifornia, USA) és munkatársai a Nap gravitációslencse-hatását kiaknázó exobolygó-távcső, azaz SGLT lehetőségét vizsgálták meg. A vizsgálat során nem találtak elvi akadályt, ugyanakkor a gyakorlati megvalósíthatóságig még jónéhány technológiai fejlesztés szükséges.

Egy csillag gravitációs tere a távoli, pontosan mögötte elhelyezkedő égitestek képét teljes Einstein-gyűrűvé torzítja, fényét rendkívül felerősíti. A Nap tömegéből és sűrűségéből adódóan ennek a gyűrűnek a megfigyeléséhez legalább 550 csillagászati egységre (CSE, a Nap–Föld távolság) el kell távolodnunk tőle. Ilyen távolságból az Einstein-gyűrű pontosan a felszín mellett, a napkorona legfényesebb tartományában lenne látható. A Nap korongját és a korona belső fényesebb régióit azonban egy koronagráffal ki kell takarni az Einstein-gyűrű megfigyelhetővé tételéhez. Így tehát a leendő távcsövet a Naptól legalább 650 CSE távolságban kell elhelyezni. Összehasonlításul, a legtávolabbra jutott emberkéz-alkotta eszköz, a több mint 40 éve útjára bocsátott Voyager–1 űrszonda jelenleg 141,38 CSE-re jár a Naptól. A mostani rakétatechnikánkkal, megfelelő hintamanőverekkel, vagy elérhető napvitorlával egy űrszonda 30 év alatt juthatna el ilyen nagy távolságra. Igaz, ehhez az egyik hintamanőver során rendkívüli módon meg kell közelíteni a Napot, így egy jó hőpajzsot is vinnie kell majd magával.

A Naptól legalább 550 CSE-re kell távolodni, hogy a csillag pereme mentén megpillanthassuk a pontosan mögötte elhelyezkedő exobolygó Einstein-gyűrűjét (balra). Lehetőleg azonban több mint 650 CSE-re el kell távolodni, hogy az Einstein-gyűrű a csillag korongjától kellő távolságban, a korona halványabb régiójában jelenjen meg (jobbra). A napkorongot és a korona belső régióit koronagráffal ki kell takarni. Forrás: S. G. Turyshev et al. (2018)

Ha azonban mégis sikerülne űrszondát juttatnunk a gravitációs lencse fókuszába, akkor egy rendkívüli lehetőségekkel kecsegtető műszerhez jutnánk. Egy 1 m átmérőjű, a csillagunktól 750 CSE-re elhelyezett SGLT fénygyűjtő képessége egy gravitáció lencsézés nélküli 80 km átmérőjű hagyományos távcsőnek felel meg. A koncepció szerint az űrszonda, miután elérte a számára kitűzött távolságot, egy kb. 1300 m átmérőjű hengerben mozogva több hónapos munkával tapogatná le a bolygó felszínét. Természetesen ez a szkennelési folyamat is sokkal bonyolultabb lesz, mint ahogyan hangzik, hiszen a világegyetemben minden mozog. Nem csak a szonda és a vizsgálni kívánt exobolygó, de a központi csillagaink is mozognak egymáshoz képest. Sőt, még a fénygyűjtő optikai elem, a Nap maga is mozog a Naprendszer tömegközéppontjához képest. Két, egymáshoz viszonyítva bonyolult módon mozgó égitest, az exobolygó és a Nap tömegközéppontja által meghatározott tengely körüli 1,3 km átmérőjű hengerben manőverezve kell tehát pásztázni a célpontot, a földi irányítástól 3,75 fénynap távolságban, értelemszerűen teljesen autonóm módon.

Szimuláció. Felül a Föld albedo-térképe látható egy adott időpontban, adott hullámhosszon. A szakemberek ezt felhasználva a tervezett műszer által megfigyelhető fénygörbét hoztak létre, amiből az inverz műveletnek megfelelő dekonvolúcióval az alsó ábrát nyerték. A reprodukció tökéletes.Forrás: S. G. Turyshev et al. (2018)

A távcső – miután az összes geometriai beállítási nehézséget megoldottuk – minden pillanatban az exobolygónak a gravitációs lencse által felismerhetetlen gyűrűvé torzított képét látja. Ezekből az egymás után készített felvételekből kell majd bonyolult matematikai módszerekkel reprodukálni a bolygófelszín képét. A módszer a tanulmány szerzőinek számításai szerint az elképesztő 1 km-es felbontást is lehetővé teszi majd. Persze ez a dekonvolúció sem lesz egyszerű. Az exobolygónk a megfigyelések közben forogni fog, légkörében feltehetőleg időjárási folyamatok fognak zajlani, azaz felhők képződnek és mozognak, és a bolygó megvilágításának fázisa sem lesz állandó. A nagy felbontású dekonvolúció eléréséhez jól fog jönni a ~80 km-es effektív fénygyűjtőfelületből származó rendkívül magas jel/zaj viszony az Einstein-gyűrűben. A bolygófelszín leképezésén túl a szonda rendkívül pontos, nagy felbontású spektrumokat is készítene a célpontról, amelyekben biomarkerek révén az élet esetleges jeleit vizsgálhatnánk.

A célpont értelemszerűen egy Nap-típusú csillag lakhatósági zónájában keringő Föld-szerű kőzetbolygó lenne. Ilyenekből a közeljövőben a tervezett műszerrel elérhető 100 fényéves környezetünkben rengeteget fogunk azonosítani, így célpontban nem lesz hiány. Hogy aztán az SGLT megépítése és sikeres működtetése mikorra várható? Kis szerencsével talán még ebben az évszázadban…

Forrás: Slava G. Turyshev et al. „Direct Multipixel Imaging and Spectroscopy of an Exoplanet with a Solar Gravity Lens Mission”, 2018.02.23., Final Report for the NASA’s Innovative Advanced Concepts (NIAC) Phase I proposal – arXiv pdf

Hozzászólás

hozzászólás