Ett rymduppdrag till solens gravitationsfokus

Sökandet efter en jordliknande planet som kretsar kring en annan stjärna är en av astronomins största utmaningar. Det är en uppgift som verkar vara nära att genomföras. Sedan astronomer upptäckte den första exoplaneten 1988 har de hittat mer än 2 000 andra.

De flesta av dessa planeter är enorma, eftersom större föremål är lättare att upptäcka. Men allt eftersom avkänningstekniker och -tekniker förbättras, hittar astronomer planeter som matchar jordens viktiga statistik allt mer.

De har till och med börjat använda ett rankningssystem som kallas Earth Similarity Index för att kvantifiera hur lik en exoplanet är moderplaneten. Den exoplanet som för närvarande rankas högst är Kepler-438b, som kretsar i den beboeliga zonen för en röd dvärg i stjärnbilden Lyra cirka 470 ljusår härifrån.

Kepler-438b har ett Earth Similarity Index på 0,88. Som jämförelse har Mars en ESI på 0,797, så den är mer jordliknande än vår närmaste granne. Det är spännande men det är oundvikligt att astronomer kommer att hitta planeter med ännu högre index inom en snar framtid.

Och det väcker en intressant fråga: hur mycket kan vi någonsin veta om dessa planeter, med tanke på deras storlek och avstånd från oss? När allt kommer omkring sätter den begränsade storleken på kretsande teleskop allvarliga begränsningar för hur mycket ljus och information vi kan samla in från en jordanalog.

Men det finns ett annat alternativ - solens gravitationsfält kan fokusera ljus. Placera ett teleskop i brännpunkten för denna gigantiska lins och det borde bli möjligt att studera ett avlägset objekt i oöverträffad detalj. Men hur bra skulle ett sådant objektiv vara; vad skulle det avslöja som vi inte kunde se med våra egna teleskop?

Idag får vi svar på dessa frågor tack vare Geoffrey Landis arbete vid NASA:s John Glenn Research Center i Cleveland. Landis har analyserat sollinsens upplösningsförmåga och räknat ut hur bra den kan vara.

Den grundläggande fysiken är enkel och har utarbetats i detalj av astronomer tidigare. Allmän relativitetsteori förutspår att ljus måste böjas runt vilket massivt föremål som helst. Effekten är dock liten och kan endast observeras med föremål med verkligt enorm massa.

Trots sin storlek böjer solen bara ljuset en liten del. Följaktligen är brännpunkten för vår sollins minst 550 astronomiska enheter bort. Det är bortom omloppsbanan för Pluto och Kuiperbältet, som sträcker sig bara 50 AU.

Ändå är det en frestande språngbräda med tanke på att det finns lite av intresse mellan Kuiperbältet och den närmaste stjärnan, Alpha Centauri, som ligger 280 000 AU bort. Det finns alltså ett kraftfullt incitament att hitta något rimligt mål i att besöka gravitationsfokuset, som ett potentiellt mellansteg mot ett framtida interstellärt uppdrag, säger Landis.

Men det finns betydande utmaningar med att använda solen som gravitationslins. Den första är relaterad till pekning och brännvidd. Tanken är att placera en rymdfarkost på motsatt sida av solen från exoplaneten, men den kan inte sitta exakt i brännpunkten där ljuset från exoplaneten konvergerar.

Det beror på att vilken bild som helst skulle dränkas av ljus från solen, som fortfarande skulle vara det ljusaste objektet på himlen. Istället skulle rymdfarkosten sitta bortom brännpunkten där ljuset från exoplaneten skulle formas till en Einstein-ring runt solen. Det är denna ring som uppdraget skulle behöva prova.

Men det är inte bara solen som kan dränka bilden. Solkoronan, auran av plasma som omger solen, är också ett problem, och det sträcker sig mycket längre. För att säkerställa att Einstein-ringen är större än koronan och inte skyms av den, skulle uppdraget behöva sitta ännu längre, på ett avstånd av mer än 2 000 AU, säger Landis. Det är mycket längre än de 550 AU som tidigare analyser har föreslagit.

Det är en enkel sak att visa att detta uppdrag bara kunde ha ett enda mål. För att peka på ett annat föremål bara 1 grad bort, skulle teleskopet behöva röra sig minst 10 AU runt solen, vilket motsvarar avståndet från jorden till Saturnus. En betydande skillnad mellan solgravitationslinsen från ett konventionellt teleskop är att gravitationslinsteleskopet inte i någon praktisk mening är riktbart, säger Landis.

Men givet ett specifikt mål, producerar solens brännkraft en enormt förstorad vy. För att visa sin potential använder Landis det hypotetiska exemplet på en exoplanet som kretsar runt en stjärna cirka 35 ljusår bort. Om denna planet hade samma storlek som jorden skulle bilden i solens fokalplan vara 12,5 kilometer tvärs över.

Så uppdraget kunde bara se en liten del av planetens yta. Faktum är att ett teleskop med en enmetersdetektor skulle avbilda en kvadratkilometersyta på planetens yta - det är mindre än New Yorks Central Park.

Att rikta ett teleskop mot ett område så litet och avlägset är knepigt. Det kan inte finnas något kikarsikte på ett sådant teleskop eftersom målet skulle vara osynligt förutom när man använder gravitationslinsen. Så exoplanetens position måste vara känd med hög precision.

Inte ens då kommer det att vara trivialt att peka på det. Att hitta en planet med diameter ~10^4 km på ett avstånd av 10^14 km kräver en pekkunskap och peknoggrannhet på 0,1 nanoradianer, säger Landis. Den senaste peknoggrannheten är idag cirka 10 nanoradianer.

Men det är bara början. Exoplaneten kommer att röra sig när den kretsar runt sin stjärna. Landis analyserar vad som skulle hända om exoplaneten har samma omloppshastighet som jorden, 30 km/sek. I så fall kommer en en kilometer lång sektion av planeten att passera en enmetersdetektor på bara 33 millisekunder och hela planeten kommer att glida förbi på 42 sekunder.

Det blir svårt att förhindra oskärpa genom att flytta teleskopet för att spåra bilden. Landis säger att rymdfarkosten kommer att behöva ändra sin hastighet med 30 meter per sekund för att hänga med och att den under loppet av ett år skulle följa en ellips med en halvstor axel på cirka 150 000 kilometer. Det är inte klart vilken typ av framdrivningssystem som skulle kunna göra detta.

Alternativet är naturligtvis att använda bildbehandlingstekniker för att ta bort oskärpan, vilket blir allt mer genomförbart med dagens teknik.

Ett annat stort problem är att filtrera bort ljuset från solen, för att inte tala om exoplanetens moderstjärna, som kommer att vara storleksordningar ljusare än målet. Teleskopet måste också minimera störningar från andra källor som zodiakalljus. Mycket ansträngning har lagts ner på detta för den nuvarande generationen av planetjaktteleskop. Ändå, säger Landis, är detta inte ett trivialt problem.

Med tanke på alla dessa problem, hur mycket bättre är bilden från en gravitationslins jämfört med en bild utan lins? Landis uppskattning är att linsen ökar ljusintensiteten från exoplaneten med en faktor på 100 000.

Det är en betydande fördel. Men det kan bara realiseras om exoplanetljuset kan separeras väl från ljuset från andra källor som solen, koronan, moderstjärnan och så vidare. Och detta är ett stort okänt.

Uppdragets nytta beror på detta. Med tanke på alla svårigheter, är det värt att resa ut till över 600 AU för att bara få en faktor på 100 000? Är det här tillräckligt? frågar Landis.

Det är en fråga som astronomer, finansiärer och allmänheten i stort måste överväga i detalj. Landis föreslår inte att ett sådant uppdrag ska genomföras nu eller ens är möjligt eller överkomligt. Men hans analys har verkligen höjt insatserna.

Om man går längre verkar det svårt att underskatta betydelsen av att hitta en jordanalog som har potential att stödja liv. Tanken på att kartlägga områden på denna planet som bara är en kilometer stora kommer att vara en kraftfull motivation.

På jorden skulle den här typen av bilder avslöja öar, floder, parker, murar, motorvägar, städer och så vidare. Kanske en rymdfarkost som sitter i gravitationsfokus för en avlägsen stjärna avslöjar dessa saker just nu för en trollbunden utomjordisk befolkning. Bara föreställa.

Ref: arxiv.org/abs/1604.06351 : Mission to the Gravitational Focus of the Sun: A Critical Analysis

Dölj