От NASA планират да заснемат повърхността на екзопланета

Нашата галактика Млечен път гъмжи от обитаеми планети. Екип от изследователи планира да направи снимка на повърхността на една от тях, като за целта ще използва Слънцето като огромен обектив на фотоапарат.

До неотдавна познавахме единствено планетите, обикалящи нашето Слънце. През 1995 г. астрономи откриха първата планета около друга звезда – 51 Pegasi b. Оттогава са открити и наблюдавани хиляди екзопланети в нашата галактика Млечен път и се установи, че те са повече дори от звездите, които наброяват около 250 милиарда. Много от тези далечни светове притежават невероятни характеристики – например необичайно издължена форма или пък ежедневни „превалявания” от стъкло. За последната можете да прочетете повече тук.

Открити са редица екзопланети, които имат характеристики, сходни със земните

Заради чудовищните разстояния, едва ли бихме могли да достигнем тези светове. Дръзка мисия към междузвездното пространство обаче може да ни позволи да им се възхищаваме отдалеч.

В началото на април от центъра за иновации на NASA (NASA’s Innovative Advanced Concept – NIAC) обявиха, че сформират екип от изследователи, които ще прекарат следващата година в разработване нови концепции за космически мисии. Сред тазгодишните предложения на NIAC са поставяне на сателитна чиния в лунен кратер и картографиране на вътрешността на астероид. Най-зашеметяващата идея е разработена от Слава Туришев, астрофизик от Лабораторията за реактивно движение на NASA. Той предлага да се фотографира повърхността на екзопланета чрез използване на Слънцето като гигантски обектив на камера.

Междувременно можете да разгледаме разработеният от NASA софтуер, който включва визуализации на повърхността на много екзопланети тук.

Айнщайн и теорията за гравитационните лещи

Тази идея е базирана на теория, разработена за пръв път от Айнщайн. Той пресмята, че гравитацията на една звезда причинява пречупване на светлината, идваща от друг обект, тоест звездата влиза в ролята на гигантска леща. Ако застанете в точката на фокус, където светлинните лъчи се събират, тази гравитационна леща би увеличила значително обект, който се намира отвъд звездата.

Теорията на Айнщайн за гравитационните лещи вече е добре установен ефект, който се използва за различни астрономически изследвания, включително откриване на екзопланети. Всеки масивен обект може да играе ролята на гравитационна леща – звезда, галактика, дори галактичен куп. Космолози, които се занимават с наблюдателна астрономия, редовно използват гравитационните лещи, породени именно от галактики и галактични купове, за да изследват отдалечени обекти.

Телескопът трябва да е три пъти по-малък от Hubble

Предложението на Туришев се възползва именно от този ефект. Неговата идея е да се изстреля телескоп на разстояние 100 милиарда километра до фокусния регион на Слънцето, за да се заснеме обитаема земеподобна екзопланета, която се намира на разстояние от 100 светлинни години от Слънчевата система. Той изчислява, че телескоп с големина само една трета от големината на космическия телескоп Hubble, (13 метра дължина), би бил достатъчно голям. Такъв телескоп може да създаде изображение на повърхността на екзопланета с високо качество след произвеждане на редица изображения в период от няколко години. Ако целевата екзопланета е с размерите на Земята, всеки пиксел от изображението би покрил 35 квадратни километра от площта на екзопланетата.

Туришев споделя, че това би било по-добра разделителна способност от известната снимка на изгрева на Земята над хоризонта на Луната, направена от астронавтите на Аполо 8. Разделителната способност би била достатъчна, за да се очертаят повърхностни характеристики и да се доловят признаци на живот на екзопланетата.

„Основната мотивация на всички, заети в проекта, е да се премине от научна фантастика към реалност, така че настоящото поколение на Земята да може да придобие представа за облика на един извънземен свят”, споделя Туришев. „Сами ли сме? Това е въпрос, който всички си задаваме, и може би ще получим отговор в рамките на нашия живот.”

Технологични предизвикателства

Фотографиране на повърхността на планета около друга звезда, е вдъхновяваща идея, но технологичните предизвикателства за постигане на тази цел са огромни. Първо, трябва да вземем предвид внушителните разстояния – 100 милиарда километра се равняват на разстоянието от Слънцето до Плутон, умножено 16 пъти. Ако пътуваме със скоростта на светлината, би ни отнело около 3 дни, за да изминем това разстояние. Космическият апарат Voyager 1, който е достигнал по-далеч от всеки друг създаден от човека обект, е изминал едва 20 милиарда километра. За да измине това разстояние, му бяха необходими 43 години.

Изисква се много прецизно настройване на позицията

Освен това, поставянето на космическия кораб на правилното място е голямо предизвикателство. За разлика от обектива на камерата, Слънцето няма една фокусна точка, а цяла фокусна линия, която започва на около 90 милиарда километра и се простира навън в междузвездното пространство. Телескопът трябва да се приведе в точната позиция по тази фокусна линия, така че да може да се начертае въображаема линия, свързваща центъра на телескопа, центъра на Слънцето и наблюдавания регион на екзопланетата.

За да изобрази екзопланетата, телескопът прави леки измествания по тази фокусна линия, като заснема кадър във всяка нова позиция. Това резултира в нов ъгъл на гледане към повърхността на екзопланетата. Тъй като всяка позиция отговаря на един пиксел в крайното изображение, телескопът трябва да бъде насочен с изключителна точност и да поддържа тази точност, за да постигне продължителна експозиция, варираща от няколко минути до няколко часа.

Допълнителна обработка

Трудностите не свършват дотук. Когато чрез гравитацията на Слънцето увеличаваме  обект, не създаваме последователна картина, както при обектива на камерата. Вместо това изображението се размазва около ръба в ореол, наречен пръстен на Айнщайн. Този ореол едновременно изкривява изображението и го затрупва с яркост.

Всеки пръстен на Айнщайн ще съответства на един пиксел в крайното изображение и представлява смесица от отразената светлина от малък регион на повърхността на екзопланетата и останалата част от екзопланетата. За да заснеме пълното изображение на екзопланетата, телескопът трябва да отсее слабия сигнал от пръстена на Айнщайн от преобладаващия фонов шум на слънчевата корона. След като се извлече този сигнал, се използват аргоритми за премахване на замъгляването, за да възстановят съответните данни. За да се създаде изображение с висока разделителна способност, този процес трябва да повтори милион пъти.

Система от космически кораби и слънчеви платна

За да се справят с тези екстремни предизвикателства, Туришев и неговите колеги трябваше да проектират всички етапи на мисията. Пропътуването на 100 милиарда километра в рамките на човешкия живот не е възможно с използването на конвенционална задвижваща технология като ракетните мотори. Вместо това Туришев предлага да се използва система от космически кораби, не по-големи от микровълнова печка, оборудвани със слънчеви платна.

С помощта на слънчевата гравитация, комбинирана с ускорението от слънчевата светлина, която се оттласква върху слънчевите платна, подобно на вятър, действащ на платноходка, космическият кораб би достигнал скорст от 480 000 километра в час. Тази скорост е близка до скоростите, постигнати по време на облитане на Слънцето от соларната сонда Parker – най-бързият космически кораб, изстрелван някога.

При тези скорости биха били необходими около 25 години, за да се достигне до началото на фокусния регион на Слънцето. Всеки един от системата от космически кораби следва да носи компонент на телескопа, тоест сглобяването на телескопа би се осъществило по време на пътуването. След като телескопът пристигне на целевата си позиция, той ще трябва да разчита на роботизиран софтуер да свърши останалата работа. В този момент изчакване от близо четири дни за получаване на команди от Земята не би свършило работа. Телескопът ще се нуждае и от обработка на данните от сигнала, която също трябва да се извърши на борда на кораба, което е изключително  сложен процес. Това е необходимо за разкодиране на данните и възприемане на командата.

Трудно постижимо, но възможно

Очакванията към мисията са големи, но Туришев вярва, че съвременните технологии са достатъчно „узрели”, за да я изпълнят. Ракетите за многократна употреба драстично смалиха разходите за достъп до космоса. Малки сателити редовно се използват за сложни мисии в дълбокя космос. Космическият апарат Voyager 1 например все още е активен след 43-годишно пътешествие. Използването на слънчеви платна също претърпя развитие и осъвършенстване в множество мисии. Освен това сме овладяли сглобяването на космически апарати извън Земята. „Смятаме, че можем да изпълним мисията с помощта на технологията, с която разполагаме днес“, казва Туришев.

Полето на действие на NIAC обхваща всички етапи на дадена концепция – от идея (фаза I), до реални проекти, които са готови да се превърнат в истинска мисия (фаза III). Планът на Туришев да направи снимка с висока разделителна способност на екзопланета е третият проект, който получава субсидия за фаза III в историята на NIAC.

Не липсват критики

Не всеки обаче споделя оптимизма на Туришев за бъдещето на мисията. Понтус Бранд е физик в Лабораторията за приложна физика на Университета Джон Хопкинс, който също работи върху идея за междузвездна мисия за NASA. Въпреки че признва, че предложението на Туришев е „теоретично много привлекателно“, Бранд казва, че има „много клопки, които могат да направят мисията невъзможна“. По-специално той изрази безпокойство относно прецизността на телескопа – според него би трябвало изстреляният телескоп да демонстрира точност на насочване, 300 пъти по-голяма от тази на космическия телескоп Хъбъл.

Бранд казва също, че е скептичен, относно съществуването на материал за изграждане на слънчевите платна, който може да издържи на екстремните ускорения и температури, с които ще се сблъска космическият кораб при напускане на Слънчевата система. „Ще се сгъне назад като чадър“, казва Бранд. „Не съм виждал предложения за механични конструкции, които могат да поддържат такава сила.“

Как да изберем подходяща екзопланета?

Съществува и проблемът с намирането на подходяща екзопланета с характеристики, подобни на тези на Земята. Предвид времето и материалните ресурси, необходими за осъществяването на мисията, не искаме да правим снимка на студен, мъртъв свят. От хилядите открити досега екзопланети, само няколко имат свойства, които ги правят потенциално обитаеми. За потенциално обитаема считаме планета, която е скалиста, приблизително с размерите на Земята и орбитираща около своята звезда на разстояние, което позволява задържането на вода в течно агрегатно състояние на повърхността. Технологичните ограничения на мисията налагат планетата да бъде разположена в рамките на около 100 светлинни години от нашата Слънчева система, за да получим снимка с достатъчно високо качество. В най-добрия случай първата ни снимка на екзопланета ще разкрие признаци на живот като растителност. Ако съществува интелигентен живот, може дори да открием мащабна инфраструктура.

До този момент астрономите все още не са потвърдили, че някоя от потенциално обитаемите екзопланети, открити досега, действително е обитаема. Дори определението за това какво представлява обитаема планета все още е област на активен дебат, казва Никол Люис, астроном от Университета Корнел, който изучава екзопланетните атмосфери. Тя споделя, че ново поколение телескопи за лов на екзопланети, като наскоро стартирания TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и очаквания космически телескоп James Webb, ще помогне на астрономите да открият много повече потенциално обитаеми планети, макар и около звезди, които са по-малки от нашето Слънце.

Демонстрационна мисия

Като част от безвъзмездната финансова помощ на фаза III, Туришев и неговите колеги ще работят за решаването на много от технологичните проблеми на предложената мисия. Туришев казва, че една от целите е да се разработи демонстрационна мисия, която да се стартира през следващите няколко години. Това би включвало оборудването на космически кораб със слънчеви платна, ускоряването му до изключително високи скорости и след това фотографиране на някои обекти в Слънчевата система. Той предложи да се преследи междузвезден обект, докато той преминава през Слънчевата система.

„До края на фаза III бихме искали да получим потвърждение от NASA и партньорите в индустрията за демонстрационна мисия на технологиите“, казва Туришев. „Бихме искали да се доближим максимално до реалността.“

Можем да имаме изображението до 2060 г.

Няма гаранция, че мисията за фотографиране на екзопланета ще се сбъдне, но Туришев смята, че е постижимо тя да стартира още в началото на 30-те години, ако NASA реши да я проведе. Като се има предвид 25-годишното пътуване и няколкото години нужни за събиране на данни, това означава, че можем да имаме снимка с висока резолюция на извънземна планета още в началото на 2060 г.

Това би била една от най-амбициозните мисии, предприемани някога, а шансовете за успех са скромни. Но тя също така представлява революция в разбирането ни за Вселената и нашето място в нея. „Именно благодарение на мечтатели като Слава тези неща се случват“, казва Бранд. „Понякога идеята е твърде откачена, за да се получи, но той е мечтател, който не се е отказал.“