Solen bliver et teleskop

Solen bliver et teleskop

Vyacheslav Turyshev,
NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology; GAISH MSU, Kazan (Volga Region) Federal University
"Kommersant Science" №4, juni 2017

I undersøgelsen af ​​exoplaneter i de seneste år er der sket fantastiske fremskridt. Verden nærmer sig hurtigt den dag, hvor de største aviser i verden vil overskue på hele forsiden: "Den første beboede jordlignende eksoplanet er blevet opdaget!" Et sådant fund er en virkelig historisk begivenhed for vores civilisation. Men hvad skal vi gøre efter en sådan opdagelse? Hvordan man kan udforske denne nye verden? For at sende et rumskib til at udforske denne planet, der ligger i en afstand af lysår, er det usandsynligt, at det lykkes i de næste århundreder.

Heldigvis er der i naturen et unikt værktøj, som vi endnu ikke har brug for at lære at bruge, men som kan hjælpe os væsentligt til undersøgelsen af ​​eksoplaneter. Dette værktøj er solens tyngdepunktslinsen (FPP), som eksisterer på grund af det faktum, at den kompakte kilde til gravitationsfeltet, som solen, er i stand til at fokusere lys fra svage fjerne kilder og derved forbedre lysstyrken.

Ifølge den generelle relativitetsteori, gravity bøjninger af rum-tid geometri – massive objekter afbøje bane af fotoner, det vil sige fungerer som en linse, og lysstråler, der passerer rundt linsevirkning masse konvergere i fokus (se figur) og derved forøge lysstyrken af ​​lys fjernbetjening. kilder. Fotonbaneens bøjningsvinkel er proportional med massen af ​​en himmellegeme og omvendt proportional med den korteste afstand fra denne krop til den oprindelige bevægelsesretning af den pågældende stråle, kaldet den tilstødende parameter i fysikken.

Billedet af exo-Earth solens gravitationslinsen. I en afstand af 650 a. e. Fra solen dækker Exo-Earth et område på 1,5 km × 1,5 km i billedplanet. Brug af et 1 meter teleskop giver et billede på 1000 × 1000 pixels eller med en opløsning på 10 km × 10 km på overfladen

Blandt Solens himmellegemer er kun Solen massiv nok, at dens tyngdepunktslinsens fokus er i en afstand, der kan nås af en rumekspedition i den nærmeste fremtid. Afhængigt af påvirkningsparametre er FPP's fokus en semi-uendelig retlinie, der starter i en afstand på ca. 547 astronomiske enheder (a.e.) fra solen, det vil sige på en afstand, der er næsten fire gange længere end det, der rejses af Voyager 1 rumfartøjer fra lanceringen i 1979 til nutiden. Gravitationslinsen har således ikke noget fokus i den sædvanlige forstand, men der er en fokuslinje. I tilfælde af en FPP er fokuslinjen en samling punkter i rummet, der er på linjen, der forbinder solens centre og de observerede eksoplaneter og ligger uden for 547 a. e. på den modsatte side af solen fra eksoplaneter.

Astronomiske enhed (a. e.) – den gennemsnitlige afstand fra Jorden til Solen, omkring 150 millioner kilometer.

Lysår – Den afstand, der blev tilbagelagt af lys i et vakuum for året, ca. 63 tusind a. e.

parsec – ca. 3,3 lysår

FPP er bemærkelsesværdigt ved at ved at fokusere lys fra fjerne kilder er det muligt at skelne mellem de mindste detaljer af objekter i stor afstand. I det optiske område giver FPP'et en ekstrem vinkelopløsning på en ti-milliard sekund vinklet sekund en stigning i kildens lysstyrke på ca. 100 milliarder gange; Hvis en sådan indikator skulle opnås ved et almindeligt instrument, ville det være muligt at overveje detaljerne om et så lille objekt som Voyager 1 på en afstand på mere end 5000 a. e. Ved hjælp af FPP 600-750 a. e.fra solen vil det være muligt at se et billede af exo-jorden, der ligger i en afstand på omkring 100 lysår. Billedet af en sådan exo-jord vil blive komprimeret til ca. 1,5 km og vil være placeret inde i en tynd cylinder 1,5 km i diameter tæt på brændlinjen.

Så vidt afstanden fra solen fjernes, forbliver FPP's egenskaber næsten uændrede. Derfor kan et rumfartøj med teleskop ikke stoppe efter at have nået 547 a. e. – tværtimod at fortsætte med at bevæge sig langs fokuslinjen i mange år. Det er klart, at et lille teleskop ikke kan se hele 1,5 km-billedet – kun en lille del, svarende til et lille 10 km-sted på overfladen af ​​en eksoplanet. Teleskopet vil se lys fra dette websted på planeten i form af en tynd ring rundt om Solen, kaldet Einstein-ringen. Et rumfartøj placeret overalt på brændvidden kan foretage observationer, modtage og transmittere data ved hjælp af udstyr, der almindeligvis anvendes til interplanetære missioner.

Men når man bygger et billede, skal teleskopet se direkte ud til solen, så teleskopet skal blokere både sollys og en del af solkoronaen.Dette kan gøres ved hjælp af et koronagra, et instrument af en kunstig solformørkelse, der kan dæmpe sollys omkring en million gange, hvilket gør det muligt at se lys fra en eksoplanet mod solens baggrund.

Billeddannelsen af ​​exo-jorden vil blive udført pixel-for-pixel, flytte rumfartøjet langs en spiralbane i billedplanet. I hver ny position vil teleskopet observere en lidt anden del af Einstein-ringen, der indeholder et forstørret billede af den nye del af overfladen af ​​exoplaneten. De unikke optiske egenskaber ved en FPP gør det imidlertid ikke til en god linse i traditionel forstand: Billeder vil blive meget sløret på grund af blanding af lys fra nabobilleder. En sådan afvigelse vil kræve moderne metoder til billedrekonstruktion, som i sidste ende vil tillade at genskabe billedet af exo-jorden med høj nøjagtighed.

I øjeblikket er der ingen projekter til at bygge flere pixelbilleder af eksoplaneter. De mest ambitiøse rumobservatorier, der er specielt designet til undersøgelsen af ​​exoplaneter, antager registrering af lys fra sådanne objekter i form af kun en pixel.Planlagte tremåbles teleskoper kan ikke registrere exo-jorden i en afstand på kun 30 lysår, for ikke at nævne 100 lysår.

Ethvert begreb eksoplanet billeddannelse skal også overveje indblanding fra sin moderstjerne. For at løse dette problem foreslås det at anvende midler til blokering af stjernens lys, herunder højkontrastkoroner, komplekse stjerneskærme eller interferometrisk nulstilling. Men i tilfælde af FPP, som har en høj vinkelopløsning, vil moderstjernen være helt adskilt fra exo-jorden på billedplanet. Faktisk vil dets forstærket lys lokaliseres i en afstand af 16 tusind km fra den optiske akse, hvilket vil gøre problemet med parasitlys af forældrestjernen ubetydelig.

Teleskopets samlingskapacitet bestemmes af Einstein-ringets område med en tykkelse i teleskopets diameter, og dens opløsning er proportional med forholdet mellem observationsbølgelængden og solens diameter. Når man bygger et billede af en exo-jord placeret i en afstand på 100 lysår, sammenlignes det bedste optiske teleskop i kvalitet med teleskopet på FPP's brændvidde i en afstand på 650 a. e. fra solen skal have en diameter på 75 kmMen selv et sådant monstort teleskop ville næppe have set planetens disk – for at få et billede af en disk af et sådant objekt med tusind pixels, er et teleskop med en diameter på ca. 75 tusind km nødvendigt, hvilket næsten er umuligt. Det er også umuligt at opbygge et system med flere teleskoper (et optisk interferometer) af denne størrelse – ved hjælp af nuværende eller rimeligt forudsigelig teknologi i den nærmeste fremtid. Men selv om det er muligt, vil indblanding fra det interstellære støv, der eksisterer mellem planeten og teleskopet, tvinge mere end ti millioner år til at indsamle nok lys, der er nødvendigt for at danne et billede af exo-jorden. Et ret beskedent 1 meter teleskop i fokus SFS udfører denne opgave om et par uger.

Missionen til FPP åbner således en interessant mulighed for at få direkte billeder af exo-jorden med en opløsning på 1000 × 1000 pixels og udføre spektroskopiske studier af atmosfæren. For en planet på en afstand på 100 lysår svarer dette til en opløsning på 10 km på overfladen og opnår spektroskopisk følsomhed på 1 million på blot et sekund af signalakkumulering, hvilket vil gøre det muligt at opdage overbevisende tegn på beboelighed.

Den praktiske ulempe ved et teleskop i en FPP er sådan, at det er praktisk taget upraktisk at omdirigere det til et andet objekt til undersøgelse. Derfor bør valget af en eksoplanet være velbegrundet, og en præcis forståelse af, hvad du behøver at vide om en eksoplanet (dets rotationsperiode, tilstedeværelsen af ​​skyer og cloud clouds tæthed osv.) Giver dig mulighed for at bestemme de nødvendige ressourcer ombord på rumfartøjet.

For at nå afstande over 550 a. e. med Voyager-klassen apparatet vil teleskopkonceptet i SFS bruge et spændvidde og en tyngdekraftmanøvre inden for Jupiter-området og derefter et spænd omkring solen med yderligere acceleration fra de indbyggede fremdriftssystemer ved det punkt, der er tættest på solen bane. Vi overvejer muligheden for at anvende moderne kemiske motorer ved hjælp af termisk afskærmningsteknologi i en afstand af omkring tre solradier fra solen. Alternativet er solsegl, hvorved man kan opnå en høj hastighed for afgang fra solsystemet langs en bane, der fører et rumfartøj med en spredning på 0,1 a. e. Fra Solen, som sandsynligvis vil kræve oprettelse af nye teknologier i skabelsen af ​​sejl. Enhver af mulighederne giver mulighed for at nå udgangshastigheden fra solsystemet 17-22 a. e.om året og nå målet i 25-30 år.

For at oprette et megapixelbillede skal du samle billedpixel med pixel og flytte i billedplanet i trin på 1,5 meter. Kabelbåndene på de to enheder kan bruges til raster-scanning. Den relative bevægelse mellem Solen og moderstjernen kan tages i betragtning ved dannelsen af ​​banen, men planetens kredsløbs bevægelse og funktionerne i dens rotation skal stadig tages i betragtning. Hvis det ligner jorden, i FPP's fokusområde i en afstand af 750 a. e. Fra solen vil billedet bevæge sig på en forudsigelig måde i en afstand på op til 35 tusind km i billedplanet med en periode på et år, og der vil være behov for onboardmotorer til at spore billedet. Sådanne motorer eksisterer allerede og er helt egnede til en sådan opgave.

Teoretisk set er lanceringen af ​​et rumfartøj til et solobjektiv og dets kontrol ret muligt, men de tekniske aspekter ved at oprette et sådant astronomisk teleskop er ikke blevet overvejet tidligere. Nylige fremskridt i udviklingen af ​​nanosatellitter og små rumfartøjer har vist, at det er muligt at praktisk talt overveje en mission over afstande, der tidligere oversteg menneskets teknologiske evner.Vores beregninger viser, at rumfartøjet vil kunne flyve langs brændlinjen og konstruere et billede af en eksoplanet med en opløsning på flere kilometer.

På trods af de åbenlyse vanskeligheder kunne en sådan mission give et gennembrud i undersøgelsen af ​​beboelige planeter – i årtier og måske et århundrede, før de blev besøgt af et rumfartøj.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: