Norėdami erdviškai išskirti egzoplanetų diskus ir ten esančias struktūras, turėtume pagaminti dešimčių kilometrų skersmens teleskopus. Bet yra ir kita galimybė, leidžianti gauti egzoplanetų nuotraukas, kurių kokybė panaši į „Apollo“ astronautų darytas Žemės nuotraukas iš Mėnulio. Tam tereikia pasinaudoti Saulės gravitacija.
Šiandien egzoplanetos daugiausiai aptinkamos ir tyrinėjamos netiesiogiai – per poveikį savo žvaigždžių judėjimui ar mus pasiekiančiai spinduliuotei. Kai kurios nufotografuojamos ir tiesiogiai, bet tai pavyksta tik esant geroms sąlygoms, kai masyvi planeta skrieja palyginus toli nuo žvaigždės. Artimiausiu metu situacija nelabai pasikeis: norėdami erdviškai išskirti egzoplanetų diskus ir ten esančias struktūras, turėtume pagaminti dešimčių kilometrų skersmens teleskopus. Bet yra ir kita galimybė, leidžianti gauti egzoplanetų nuotraukas, kurių kokybė panaši į „Apollo“ astronautų darytas Žemės nuotraukas iš Mėnulio. Tam tereikia pasinaudoti Saulės gravitacija.
Sumodeliuotas žemiškos planetos atvaizdas, kurį būtų galima gauti su SGL zondais.
© Turyshev et al. (2018), NASA
Jau daugiau nei šimtą metų žinome, kad gravitacija iškreipia šviesos trajektoriją. Žinome ne tik teoriškai, bet ir praktiškai – gravitacinio lęšiavimo matavimai buvo vienas pirmųjų bendrosios reliatyvumo teorijos patikrinimų. Jei masyvus objektas yra apvalus, aplink jį sklindantys tolimo taškinio šaltinio spinduliai susikerta viename taške – židinyje. Židinyje esantį stebėtoją pasiekia žymiai daugiau tolimojo šaltinio spindulių, negu pasiektų be gravitacinio lęšio įtakos, taigi tolimasis šaltinis atrodo daug ryškesnis. Jei šaltinis yra ne taškinis, o tiesiog nedidelis, aplink židinį susiformuoja jo atvaizdas. Atvaizdas yra stipriai iškreiptas, apvalus daiktas pavirsta žiedu, tačiau iškreipimų formą bei dydį įmanoma apskaičiuoti, taigi įmanoma įvertinti ir originalaus šaltinio vaizdą. Vėlgi, tai nėra tik teoriniai pamąstymai – tokia procedūra reguliariai atliekama tyrinėjant tolimas galaktikas, kurių atvaizdai dažnai yra iškreipti arčiau esančių galaktikų bei spiečių (štai vienas visai naujas pavyzdys – atkreipkite dėmesį į 1 iliustraciją).
Gravitacija vienodai veikia visais masteliais, tad tai, kas galioja galaktikų spiečiams, tinka ir pavienėms žvaigždėms bei planetoms. Saulė taip pat sutelkia pro šalį lekiančius spindulius į židinio taškus. Aišku, Saulė nėra labai kompaktiška, todėl spinduliai iškreipiami nedaug, o židinio nuotolis – didelis. Jis siekia 550 astronominių vienetų ir daugiau; kuo spinduliai praeina toliau nuo pačios Saulės, tuo toliau yra sufokusuojami. Astronominis vienetas yra atstumas nuo Saulės iki Žemės, lygus beveik 150 milijonų kilometrų. 550 astronominių vienetų – gerokai toliau, nei nuo Saulės iki Neptūno (30 AU) ar netgi iki heliopauzės, kur Saulės vėjas atsimuša į tarpžvaigždinę medžiagą (~90 AU). Iš patvirtintų nykštukinių planetų vienintelė Sedna skrieja panašiai toli nuo Saulės. Daugiausiai nuo Saulės nutolę žmonių paleisti prietaisai – „Voyager 1“ ir „Voyager 2“ zondai – ne per seniausiai kirto heliopauzę, taigi juos nuo žvaigždės skiria tik apie 100 AU. Ir jiems prireikė daugiau nei keturių dešimtmečių, kad nuskristų taip toli, taigi gravitacinio lęšiavimo židinį jie pasieks tik po beveik dviejų šimtmečių.
Gravitacinio lęšiavimo schema, pritaikant Saulę kaip lęšį.
© Alkalai et al. (2017)
Ar tai reiškia, kad panaudoti Saulę kaip gravitacinį lęšį praktiškai nepavyks? Nebūtinai. Tobulėjant technologijoms, siūlomos vis įdomesnės kosminių misijų idėjos. Prieš keletą metų pradėta vystyti „Breakthrough Starshot“ misija ketina paleisti mažyčių zondų spiečių net į artimiausią Saulei žvaigždę, kuri nutolusi daugiau nei parseką, arba apie 250 000 AU. Nuskraidinti zondų į 550 AU nuotolį su šiandieninėmis technologijomis įmanoma, ir tam užtektų vos kelių dešimtmečių. Toks yra Saulės gravitacinio lęšio (Solar Gravity Lens, SGL) misijos tikslas.
Misija remiasi mažų ir santykinai pigių zondų paleidimu. Kiekvienas zondas veiktų kaip „vieno pikselio detektorius“ – maždaug metro skersmens imtuvas, galintis užfiksuoti šviesą, sklindančią labai siaura kryptimi. Zondas galėtų skraidyti ties ta vieta, kur Saulės gravitacija sufokusuoja egzoplanetos šviesą ir, pikselis po pikselio, užfiksuoti visą planetos vaizdą. Pasitelkus įvairias programines korekcijas, būtų galima suformuoti labai detalią nuotrauką. Jei planeta yra maždaug 30 parsekų atstumu nuo mūsų, vienas pikselis atitiktų madžaug 10×10 km regioną planetos paviršiuje, taigi galutinės nuotraukos raiškos tikrai pakaktų identifikuoti didelėms paviršiaus struktūroms – žemynams, debesims ir t. t.
Žemės atvaizdo modelis, gaunamas su tikėtinais SGL zondais. Kairėje – pirminė nuotrauka. Viduryje – ta pati nuotrauka buvo iškreipta taip, kaip ją matytų SGL zondas, ir atlikti virtualūs stebėjimai, sudėliojant ją po pikselį, įtraukiant triukšmą dėl Saulės vainiko spinduliuotės, tarpžvaigždinių spinduliuotės šaltinių ir t.t. Dešinėje – nuotrauka po skaitmeninių korekcijų, kompensuojant triukšmą.
© Turyshev et al. (2020)
Skamba įspūdingai, ir, svarbiausia, šiam planui nereikia jokių šiuo metu neegzistuojančių technologijų. Misijos rengėjai įvertino, kad visą reikalingą įrangą, įskaitant netgi variklius bei kurą manevravimui ties židinio atstumu, galima sutalpinti į 30 kilogramų masės zondą. Tokį lengvą daiktą tolyn nuo Saulės sėkmingai nunešti galėtų šviesos burė – šimtų kvadratinių metrų ploto labai lengvas ir tvirtas skydas, atspindintis Saulės šviesą ir taip įgaunantis pagreitį. Šviesos (arba Saulės) burių technologija vystoma apie pusšimtį metų, o pernai „Planetary Society“ iškeltas bandomasis erdvėlaivis vis dar sėkmingai skraido Žemės apylinkėse.
„LightSail2“ nuotrauka © The Planetary Society
SGL misiją sudarytų ištisas srautas zondų, kuriuos būtų galima paleisti kasmet. Jie įgreitėtų iki maždaug 25 AU per metus greičio, taigi nuskristi iki židinio atstumo jiems užtruktų kiek daugiau nei 20 metų. Daug, bet ne tiek, kad būtų visai nepraktiška planuoti. Siųsti daug zondų, o ne vieną, reikėtų dėl keleto priežasčių. Visų pirma, tai sumažina katastrofiškos nesėkmės tikimybę: net jei vienas zondas sugestų nepataisomai, kiti galėtų atlikti darbą. Antra, tai leistų dalį užduočių padalinti per zondus arba jų sistemas panaudoti kaip dubliuojančias: tarkime, jei vienas zondas netektų tolimo ryšio antenos, jis galbūt galėtų surinktus duomenis perduoti per kitus zondus; be to, daug zondų, vienu metu stebinčių vieną planetą, duotų tikslesnį vaizdą, nei vienas zondas, kuriam planetos stebėjimai gali užtrukti kelias savaites.
Trečia, svarbiausia priežastis – taip būtų galima atlikti ne vienos egzoplanetos stebėjimus. Pagrindinis Saulės, kaip gravitacinio lęšio, panaudojimo trūkumas yra tas, kad kiekvienos planetos atvaizdas sufokusuojamas tik viena kryptimi. Taigi norėdami stebėti konkrečią planetą, turėtume nusiųsti zondą (ar zondus) į erdvės regioną, dydžiu palyginamą su Saule. Nors Saulė ir labai didelė, lyginant su 550 AU spindulio sfera, jos skerspjūvio plotas mažytis. Tad ir zondas, nuskridęs tyrinėti vienos planetos, nelabai galės persikelti taip, kad galėtų stebėti dar vieną. Daugelio zondų siuntimas į skirtingas vietas – galimas problemos sprendimas. Kiekvienai planetai tyrinėti nereikėtų kurti naujoviško zondo, jie galėtų būti visiškai vienodi, tereikėtų apskaičiuoti naują skrydžio trajektoriją.
Kiek gali būti planetų, kurias būtų verta tyrinėti tokiu būdu? 30 parsekų – 100 šviesmečių – atstumu nuo Saulės yra kiek daugiau nei 500 panašių į ją žvaigždžių; iš viso žvaigždžių tokiu atstumu yra 10 tūkstančių ar daugiau. Jei laikysime, kad kiekviena vidutiniškai turi bent po vieną planetą, galime tikėtis tūkstančių planetų, ir netgi šimtų planetų vien prie žvaigždžių, panašių į mūsiškę. Dar griežčiau apribojus dominančias planetas – pavyzdžiui, pasirinkus uolines planetas, kurių paviršiaus temperatūra tinkama skystam vandeniui egzistuoti – skaičius sumažėtų, bet vis tiek turėtų egzistuoti bent keli šimtai potencialiai įdomių planetų. Šiuo metu jų žinome dar nedaug, bet nauji atradimai paskelbiami kasdien. Taigi per kelis dešimtmečius, kol SGL misija būtų parengta ir galėtų prasidėti pirmieji skrydžiai, taikinių stebėjimams gali būti šimtai. Turint omeny, kad tokia misija yra vienintelis įmanomas būdas per artimiausius šimtą metų gauti detalų egzoplanetos paviršiaus vaizdą (išskyrus, galbūt, „Breakthrough Starshot“ atsiųsimus vaizdus iš Kentauro Proksimos planetų), teikiamos galimybės atrodo pakankamos, kad būtų verta misiją vystyti toliau.
„Solar Gravity Lens“ misija detaliai aprašyta šioje ataskaitoje. Trumpesnį pristatymą rasite „Planetary Science 2050“ dirbtuvės pristatyme. Populiariai koncepcija aprašyta Phys.org straipsnyje.
