Солнце станет телескопом
Астрономия
20.06.2017 В исследовании экзопланет в последние годы достигнут потрясающий прогресс. Мир стремительно приближается к тому дню, когда крупнейшие газеты мира выйдут с заголовком во всю первую полосу: "Обнаружена первая обитаемая землеподобная экзопланета!". Такая находка станет поистине историческим событием для нашей цивилизации. Но что мы будем делать после такого открытия? Как исследовать этот новый мир? Ведь отправить космический корабль для исследования этой планеты, находящейся на расстоянии световых лет, у нас вряд ли получится в ближайшие несколько веков.
К счастью, в природе есть уникальный инструмент, которым нам еще только предстоит научиться пользоваться, но который нам может существенно помочь в исследовании экзопланет. Этим инструментом является гравитационная линза Солнца (ГЛС), существующая благодаря тому факту, что компактный источник гравитационного поля, каким является Солнце, способен фокусировать свет слабых удаленных источников и тем самым усиливать их яркость.
Изображение экзо-Земли солнечной гравитационной линзой. На расстоянии в 650 а. е. от Солнца экзо-Земля занимает площадь 1,5 км × 1,5 км в плоскости изображения. Использование 1-метрового телескопа обеспечивает изображение 1000 × 1000 пикселей или с разрешением 10 км × 10 км на ее поверхности
Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, гравитация искривляет геометрию пространства-времени — массивные объекты отклоняют траекторию фотонов, то есть выступают в качестве линзы, и лучи света, проходящие вокруг линзирующей массы, сходятся в фокусе (см. рисунок), тем самым усиливая яркость света удаленных источников. Угол изгиба траектории фотонов пропорционален массе небесного тела и обратно пропорционален кратчайшему расстоянию от этого тела до исходного направления движения рассматриваемого луча света, называемому в физике прицельным параметром.
Среди небесных тел Солнечной системы только Солнце достаточно массивно, чтобы фокус его гравитационной линзы находился на расстоянии, достижимом космической экспедицией в ближайшем будущем. В зависимости от прицельного параметра, фокус ГЛС представляет собой полубесконечную прямую, которая начинается с расстояния примерно в 547 астрономических единиц (а. е.) от Солнца, то есть на расстоянии, которое почти в четыре раза больше того, что пройдено космическим аппаратом "Вояджер 1" с момента запуска в 1979 году по настоящее время. Таким образом, у гравитационной линзы нет фокуса в привычном смысле, а есть фокальная линия. В случае ГЛС, фокальная линия — это совокупность точек пространства, находящихся на линии, соединяющей центры Солнца и наблюдаемой экзопланеты и расположенных за пределами 547 а. е. на противоположной от экзопланеты стороне Солнца.
ГЛС примечательна тем, что, фокусируя свет от удаленных источников, позволяет различать мельчайшие детали объектов на большом расстоянии. В оптическом диапазоне ГЛС, имеющая экстремальное угловое разрешение в одну десятимиллиардную угловой секунды, обеспечивает усиление яркости источника примерно в 100 млрд раз; если бы такого показателя удалось достичь обычному инструменту, можно было бы четко рассмотреть детали такого маленького объекта, как "Вояджер 1", на расстоянии дальше 5000 а. е. С помощью ГЛС на расстоянии в 600-750 а. е. от Солнца можно будет увидеть изображение экзо-Земли, расположенной, скажем, на расстоянии примерно в 100 световых лет. Изображение такой экзо-Земли будет сжато примерно до 1,5 км и будет находиться внутри тонкого цилиндра диаметром в 1,5 км в непосредственной близости от фокальной линии.
По мере удалений от Солнца свойства ГЛС практически не изменяются, поэтому космический аппарат с телескопом может не останавливаться после достижения 547 а. е.— а, наоборот, продолжать двигаться вдоль фокальной линии долгие годы. Понятно, что маленький телескоп не увидит всего полуторакилометрового изображения — только малую часть, соответствующую небольшой 10-километровой площадке на поверхности экзопланеты. Телескоп увидит свет от этой площадки на планете в форме тонкого кольца вокруг Солнца, называемого кольцом Эйнштейна. Космический аппарат, размещенный в любом месте фокальной линии, может проводить наблюдения, принимать и передавать данные с использованием оборудования, обычно используемого для межпланетных миссий.
Но при построении изображения телескоп должен смотреть прямо на Солнце, так что телескопу нужно будет блокировать как солнечный свет, так и часть солнечной короны. Это можно сделать при помощи коронографа — инструмента искусственного солнечного затмения, способного приглушить солнечный свет примерно в миллион раз, что позволит увидеть свет от экзопланеты на фоне Солнца.
Построение изображения экзо-Земли будет осуществляться попиксельно, перемещая космический аппарат по спиральной траектории в плоскости изображения. В каждом новом положении телескоп будет наблюдать несколько иную часть эйнштейновского кольца, содержащую усиленное изображение нового участка поверхности экзопланеты. Уникальные оптические свойства ГЛС тем не менее не делают ее хорошей линзой в традиционном смысле: изображения будут сильно размыты из-за подмешивания света с соседних пикселей. Такая аберрация потребует современных методов реконструкции изображений, что в итоге позволит восстановить изображение экзо-Земли с высокой точностью.
В настоящее время проекты построения многопиксельных изображений экзопланет отсутствуют. Наиболее амбициозные космические обсерватории, специально рассчитанные на исследование экзопланет, предполагают регистрацию света от таких объектов в виде всего лишь одного пикселя. Планируемые трехметровые космические телескопы не способны обнаружить экзо-Землю на расстоянии всего в 30 световых лет, не говоря уже о 100 световых годах.
Любая концепция визуализации экзопланеты должна учитывать еще и помехи от ее родительской звезды. Чтобы решить эту проблему, предлагается использовать средства блокирования света звезды, в том числе высококонтрастные коронографы, сложные звездные экраны или интерферометрическое обнуление. Но в случае с ГЛС, у которой высокое угловое разрешение, родительская звезда будет полностью отделена от экзо-Земли на плоскости изображения. Фактически ее усиленный свет будет находиться на расстоянии 16 тыс. км от оптической оси, что сделает проблему паразитного света родительской звезды пренебрежимо малой.
Собирающая способность телескопа в ГЛС определяется площадью кольца Эйнштейна с толщиной в диаметр телескопа, а его разрешающая способность пропорциональна отношению длины волны наблюдения к диаметру Солнца. При построении изображения экзо-Земли, находящейся на расстоянии в 100 световых лет, лучший оптический телескоп, чтобы сравниться по качеству с телескопом на фокальной линии ГЛС на расстоянии в 650 а. е. от Солнца, должен иметь диаметр 75 км. Но даже такой чудовищный телескоп едва ли разглядел бы диск планеты — для получения изображения диска такого объекта в тысячу пикселей нужен телескоп диаметром около 75 тыс. км, что практически невозможно. Невозможно и построение системы с несколькими телескопами (оптический интерферометр) такого размера — с использованием текущей или разумно предсказуемой технологии ближайшего будущего. Но даже если и возможно, помехи от межзвездной пыли, существующей между планетой и телескопом, заставили бы более десяти миллионов лет собирать достаточно света, необходимого для формирования изображения экзо-Земли. Довольно скромный 1-метровый телескоп в фокусе ГЛС выполнит эту задачу за пару недель.
Таким образом, миссия к ГЛС открывает интереснейшую возможность получить прямые изображения экзо-Земли с разрешением 1000 ? 1000 пикселей и провести спектроскопические исследования ее атмосферы. Для планеты на расстоянии в 100 световых лет это соответствует разрешению в 10 км на ее поверхности и получению спектроскопической чувствительности в 1 миллион всего за одну секунду накопления сигнала, что позволит засечь убедительные признаки обитаемости.
Практический недостаток телескопа в ГЛС таков, что его перенацеливание на другой объект исследования практически нецелесообразно. Поэтому выбор экзопланеты должен быть хорошо обоснован, а точное понимание того, что нужно узнать об экзопланете (период ее вращения, наличие облаков и плотность облачного покрова и пр.) позволит определить ресурсы, необходимые на борту космического аппарата.
Чтобы достичь расстояний свыше 550 а. е. с аппаратом класса "Вояджер", в концепции телескопа в фокусе ГЛС будет использоваться пролет и гравитационный маневр в поле Юпитера, а затем пролет около Солнца с дополнительным ускорением от бортовых двигательных установок (т. н. маневр Оберта) в ближайшей к Солнцу точке траектории. Мы рассматриваем возможность использования современных химических двигателей с использованием технологии теплового экранирования на расстоянии около трех солнечных радиусов от Солнца. Альтернатива — солнечные паруса, с помощью которых можно получить высокую скорость вылета из Солнечной системы по траектории, проводящей космический аппарат на рассеянии в 0,1 а. е. от Солнца, что, скорее всего, потребует создания новых технологий в создании парусов. Любой из вариантов даст возможность достичь скорости выхода из Солнечной системы 17-22 а. е. в год и добраться до цели за 25-30 лет.
Астрономическая единица (а. е.)
— среднее расстояние от Земли до Солнца, около 150 млн километров.
Световой год
— расстояние, проходимое светом в вакууме за год, около 63 тыс. а. е.
Парсек
— примерно 3,3 светового года.
Чтобы создать мегапиксельное изображение, нужно будет собирать изображение попиксельно, двигаясь в плоскости изображения с шагом в 1,5 метра. Тросовая связка двух аппаратов может использоваться для растрового сканирования. Относительное движение между Солнцем и родительской звездой может быть учтено при формировании траектории, но еще нужно учесть орбитальное движение планеты и особенности ее вращения. Если оно похоже на земное, в фокальной области ГЛС на расстоянии 750 а. е. от Солнца ее изображение будет двигаться предсказуемым образом на расстояние до 35 тыс. км в плоскости изображения с периодом в один год, и тогда понадобятся бортовые двигатели для отслеживания изображения. Такие двигатели уже существуют и вполне пригодны для такой задачи.
Теоретически запуск космического аппарата к солнечной линзе и управление им представляются вполне возможными, однако технические аспекты создания такого астрономического телескопа прежде не рассматривались. Недавние успехи в разработке наноспутников и малых космических аппаратов показали, что можно практически рассматривать миссию на расстояния, прежде превышавшие технологические возможности человечества. Наши расчеты показывают, что космический аппарат будет способен пролететь вдоль фокальной линии и построить изображение экзопланеты с разрешением в несколько километров.
Несмотря на очевидные сложности, такая миссия могла бы обеспечить прорыв в исследовании пригодных для жизни планет — на десятилетия, а может, и на века раньше, чем их посетит космический корабль.
Вячеслав Турышев, Лаборатория реактивного движения НАСА, Калифорнийский технологический институт; Московский государственный университет, Астрономический институт имени Штернберга, Казанский (Приволжский) федеральный университет
Линейный вид
