Искате да видите друга Земя? Ето защо слънчевата гравитация е нашият най-мощен телескоп

Живеем в една удивителна епоха. Астрономите са открили хиляди екзопланети – светове, които обикалят около далечните звезди. Някои от тях се намират в обитаемата зона, където теоретично може да съществува течна вода. Но какво всъщност знаем за тях? Почти нищо. За нас те са само данни: лекото затъмнение на звезда, когато пред нея преминава планета, или едва доловимото колебание на светилото под въздействието на гравитацията на невидим спътник.

Ами ако можехме да видим някоя от тези планети? Не просто като пиксел, а като истински свят с континенти, океани и облаци. Представете си карта на най-близкия до нас аналог на Земята, дори и да е с размер само 10 на 10 пиксела. Това би било, без преувеличение, най-голямото откритие в историята на човечеството.

Но как да направим това? Неотдавна Слава Туришев, физик в Лабораторията за реактивно движение на НАСА, публикува статия, в която безмилостно, но честно оборва всички съществуващи идеи. И заключението му е зашеметяващо: почти всички наши настоящи и дори бъдещи технологии за изпълнението на тази задача са безнадеждни. С изключение на една, която сякаш е извадена направо от научната фантастика.

Твърде далеч, твърде слабо: защо конвенционалните телескопи не могат да се справят с тази задача

Първото нещо, което ни идва на ум, е да построим огромен телескоп. Нещо като проектирания космически гигант LUVOIR с 15-метрово огледало. Звучи впечатляващо, нали? Но нека направим съответните изчисления.

За да видите детайлите на планета, намираща се, да речем, на 32 светлинни години от нас, се нуждаете от феноменална разделителна способност. Според изчисленията на Туришев дори най-амбициозните телескопи като LUVOIR или наземния гигант ELT имат около 10 000 пъти по-ниска разделителна способност от необходимата. Това е все едно да се опитваш да видиш футболна топка в друг град.

Но има и втори, много по-сериозен проблем: „фотонният бюджет“. Самата планета не свети, тя само отразява светлината на своята звезда. От разстояние десетки светлинни години до нас достига само малка част от тези фотони. Въпреки това родната й звезда свети милиарди пъти по-ярко. Да се опитваш да различиш фотоните от планетата е като да се опитваш да чуеш шепот над рева на реактивен двигател.

Дори ако насочите LUVOIR към точното място и изчакате търпеливо, според изчисленията ще са необходими… 1900 години, за да се съберат достатъчно фотони, за да се направи карта с размери 10×10 пиксела. При наземния ELT, който също така е възпрепятстван от атмосферата, положението е още по-тъжно – 41 000 години. Очевидно е, че това не е вариант.

Хитрите трикове и тяхната ахилесова пета

Добре, ако не можем да се справим директно, защо не използваме малко хитрост? Учените обмислят и други подходи.

Например интерферометрията. Идеята е да се комбинира светлината от няколко малки телескопа, отдалечени в пространството на голямо разстояние. Заедно те работят като един гигантски виртуален телескоп. За да се постигне необходимата разделителна способност, те трябва да са на разстояние 130 км! Синхронизирането на такава армада с точност до нанометри е задача, която далеч надхвърля сегашните ни инженерни възможности. Но дори и да успеем да се справим, събирането на светлината ще отнеме хиляди години. Отново задънена улица.

Ами звездните сенници (starshades)? Това са огромни платна, които летят на голямо разстояние пред телескопа и блокират светлината на дадена звезда, позволявайки ви да видите слабата планета до нея. Идеята е красива, но отново изисква немислима прецизност на координацията. И макар да намалява времето за наблюдение от хилядолетия на столетия, тя не решава проблема с ниската разделителна способност.

План Б: просто да летим дотам?

Ако планината не отива при Мохамед… може би да изпратим сонда направо на планетата? Проекти като Breakthrough Starshot включват ускоряване на миниатюрни апарати до 20% от скоростта на светлината.

И отново дяволът е в детайлите. При такава главозамайваща скорост сондата ще прелети покрай планетата само за няколко минути. За това време тя трябва да заснеме всичко, да го анализира и – най-трудната част – да изпрати данните обратно у дома на десетки светлинни години. Не разполагаме с комуникационна технология за предаване на такова количество информация от такова разстояние с помощта на някакъв лек предавател, който може да се побере в малката сонда.

Изглежда отново сме в задънена улица. Всички наши технологии, дори и най-смелите, са ограничени от фундаменталните закони на физиката или отнемат хилядолетия.

Айнщайн идва на помощ: гравитацията като идеалната оптична леща

И тук на сцената се появява идеята, лансирана от Слава Туришев. Идея, основана на едно от най-красивите предсказания на общата теория на относителността на Айнщайн. Ами ако използваме самото Слънце като телескоп?

Според Айнщайн масивните обекти, като нашето Слънце, изкривяват пространство-времето около себе си. За светлината това изкривяване действа като гигантска оптична леща. Светлинните лъчи от един далечен обект (нашата екзопланета), преминаващи близо до ръба на Слънцето, не просто се отклоняват, а се фокусират в една точка.

Тази точка е много далеч – на разстояние най-малко 550 астрономически единици от Слънцето (астрономическата единица е разстоянието от Земята до Слънцето). Това е 14 пъти по-далеч, отколкото Плутон е от нас. Но ползите от подобна „слънчева гравитационна леща“ (SGL) са огромни.

• Усилването на светлината: гравитационната леща на Слънцето усилва светлината от екзопланетата десетки милиарди пъти! Проблемът с “фотонния бюджет“ изчезва. Вече не е необходимо да чакаме хиляди години, за да съберем достатъчно светлина.
• Разделителната способност: Разделителната способност на подобна система ни позволява не само да видим карта с размери 10×10 пиксела, но и да видим детайли от повърхността на планетата с размери десетки километри.

Звучи ли това като научна фантастика? Донякъде да. За да се осъществи, трябва да изпратим космически апарат до фокалната точка на 550 а.е. от Слънцето. Веднъж попаднал там, той ще трябва да се движи в кръг, сканирайки „образа“, създаден от лещата. Това е много трудна инженерна задача, но за разлика от всички останали методи, при нея няма фундаментални физически забрани. Това е въпрос на технология, която можем да разработим през следващите десетилетия, а не хилядолетия.

В работата си Туришев по същество е направил ревизия на нашите мечти. Той показа, че пътят към образа на друга Земя е дълъг и труден, но съществува. И той не е чрез изграждане на все по-големи огледала, а чрез използване на най-мощната сила във Вселената – гравитацията. Мисията SGL не е просто поредният проект. Тя може би е единственият реален шанс на нашето поколение да надникне в друг, далечен и, кой знае, вероятно обитаем свят.