Wenn wir die Sonne als Gravitationslinsen-Teleskop verwenden würden, so würde ein Planet bei Proxima Centauri aussehen
Wie Einstein ursprünglich mit seinem vorausgesagt hat Allgemeine Relativitätstheorie , Gravitation verändert die Krümmung der Raumzeit. Infolgedessen ändert sich der Lichtdurchgang, wenn es auf ein Gravitationsfeld trifft, wodurch die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt wurde! Seit Jahrzehnten machen sich Astronomen dies zunutze, um Gravitationslinsen (GL) – wo eine entfernte Quelle fokussiert und durch ein massives Objekt im Vordergrund verstärkt wird.
In einer kürzlich durchgeführten Studie argumentieren zwei theoretische Physiker, dass die Sonne auf die gleiche Weise verwendet werden könnte, um a Solargravitationslinse (SGL). Dieses leistungsstarke Teleskop, argumentieren sie, würde genug Lichtverstärkung bieten, um Direkte Bildgebung Studien zu nahegelegenen Exoplaneten. Auf diese Weise könnten Astronomen feststellen, ob Planeten wie Nächstes b sind potenziell bewohnbar, lange bevor wir Missionen entsenden, um sie zu studieren.
Die Studie, die kürzlich online erschienen und wird für eine Veröffentlichung in der Zeitschrift in Betracht gezogenPhysische Überprüfung D, wurde von dem theoretischen Physiker Viktor Toth und Slava G. Turyshev, einem Physiker am NASA JPL, der auch der Principal Investigator (PI) der NIAC-Phase-III-Studie 2020 mit dem Titel war, durchgeführt. Direkte Multipixel-Bildgebung und Spektroskopie eines Exoplaneten mit einer solaren Gravitationslinsen-Mission . '
Einstein-Ringe, die während seiner Lebensdauer vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. Bildnachweis: NASA/ESA/A.Bolton (CfA)/SLACS-Team
Gravitationslinsen ermöglichen nicht nur alle Arten von tiefgreifender astrophysikalischer Forschung, sondern haben auch zu einigen der spektakulärsten Bilder des Universums geführt, die jemals aufgenommen wurden. Dazu gehören die sogenannten „ Einstein-Ringe “, so kann Licht von einem entfernten Objekt manchmal aussehen, wenn es auf ein Gravitationsfeld zwischen ihm und dem Beobachter trifft.
Abhängig von der Ausrichtung zwischen Beobachter, Quelle und Linse kann das Licht der Quelle auch als Bogen, Kreuz oder eine andere Form erscheinen. Während jeder massive Körper als Gravitationslinse verwendet werden kann, befindet sich die Sonne in einer vorteilhaften Position für die GL-Astronomie. Für den Anfang ist es der massivste Körper im Sonnensystem und damit das stärkste Objektiv auf dem Markt.
Zweitens beginnt der Fokusbereich seiner Linse in einer Entfernung von ~550 AE von der Sonne, was eine realistische Entfernung für eine zukünftige Mission ist. Der Fokusbereich des nächstgrößeren Objekts (Jupiter) beginnt in einer Entfernung von über 2.400 AE. Kurz gesagt, Astronomen könnten eine richtige Ausrichtung mit der Sonne konstruieren, um eine SGL zu erstellen und sie für astronomische Beobachtungen zu verwenden – wie zum Beispiel einen guten Blick auf nahegelegene Exoplaneten!
Direct Imaging ist eine besonders vielversprechende Methode, wenn es um die Charakterisierung von Exoplaneten geht, auf die sich zukünftige Exoplaneten-Studien wie nie zuvor konzentrieren werden (im Gegensatz zur Exoplaneten-Detektion). Durch die Untersuchung von Licht, das direkt von der Atmosphäre oder Oberfläche eines Planeten reflektiert wird, können Astronomen Spektren erhalten, die anzeigen, woraus die Atmosphäre eines Planeten besteht, und möglicherweise sogar Anzeichen von Vegetation auf der Oberfläche erkennen.
Schema einer SGL in Aktion. Durch die Nutzung des Gravitationsfeldes der Sonne als Linse könnten zukünftige Missionen hochauflösende Bilder von Exoplaneten und anderen Himmelsobjekten aufnehmen. Kredit: Toth, V.T. & Turyshev, S.G.
Diese Methode ist jedoch schwierig, da aktuelle Teleskope nicht die erforderliche Auflösung haben, um kleinere Planeten direkt abzubilden, die näher um ihre Sterne kreisen (dort befinden sich Gesteinsplaneten). Daher waren die überwiegende Mehrheit der direkt abgebildeten Exoplaneten Gasriesen, typischerweise mit langperiodischen Umlaufbahnen. Wie Turyshev Universe Today per E-Mail sagte:
„Um einen Exoplaneten direkt zu beobachten und abzubilden, benötigen wir Zugang zu sehr großen Teleskopen. Wenn wir also unsere eigene Erde in nur einem Pixel aus 100 Lichtjahren Entfernung sehen wollen, brauchen wir ein Teleskop mit ~90 Kilometern Durchmesser.
'Die nächstgrößeren Teleskope, die am Boden gebaut werden (European Extremely Large Telescope) und in den Weltraum gehen (James Webb Space Telescope) sind 39 Meter bzw. 6,5 Meter. Die Konzepte, die als Ersatz für diese großartigen Maschinen (LUVOIR und HabEx) in Betracht gezogen werden, sind 16 und/oder 24 Meter.'
Basierend auf diesem Trend, argumentiert Turyshev, wird niemand, der heute lebt, zu Lebzeiten aus nächster Nähe sehen, wie eine fremde Welt aussieht (und auch nicht seine Kinder und Enkelkinder). Mit einer SGL können Beobachtungen von nahegelegenen Exoplaneten (wie z Nächstes b und C oder die sieben Gesteinsplaneten, die umkreisen TRAPPIST-1 ) könnte bis Mitte dieses Jahrhunderts hergestellt werden.
Wie eine simulierte Erde in der Entfernung von Proxima Centauri (4,24 ly) aussehen würde, wenn sie von der SGL projiziert wird. Kredit: Toth, V.T. & Turyshev, S.G.
Um festzustellen, ob eine SGL möglich ist, stützten sich Toth und Turyshev auf frühere Studien, in denen sie eine wellentheoretische Beschreibung für eine SGL entwickelten. Am Ende stellten sie fest, dass dies der Fall war und simulierten sogar, welche Bilder der Erde mit einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixeln (siehe oben) gefaltet und mit hinzugefügtem Gauß-Rauschen (links) und nach erfolgter Entfaltung (rechts) aussehen würden.
So würde die Erde aussehen, wenn sie die gleiche Entfernung wie Proxima Centauri (4,24 Lichtjahre) hätte und von einem Teleskop abgebildet würde, das 650 AE von der Sonne entfernt ist (und es als Linse verwendet). Wer genau hinschaut, erkennt die Wolkendecke und den Kontrast zwischen den Landmassen – in diesem Fall die USA, Baja California, Mexiko. Toth und Turyshev schätzen, dass die für diese Detailtiefe erforderliche Gesamtbelichtungszeit etwa ein Jahr betragen würde.
Natürlich identifizierte das Team auch einige Herausforderungen, die zuerst gemeistert werden mussten. Die Entfernung zur Fokusregion ist das wichtigste Problem, die sich etwa 82,28 Milliarden km (51 Milliarden Meilen) von der Erde entfernt befindet. Das ist ungefähr die vierfache Entfernung zwischen der Erde und dem Reisen 1 Sonde, die den Rekord für die weiteste Mission hält, die je gereist ist – 150 AE (22,44 Milliarden km; 13,94 Milliarden Meilen) im Jahr 2020.
Zweitens stellten sie fest, dass das Objektiv unter sphärischen Aberrationen und Astigmatismus leidet, die korrigiert werden müssen. Schließlich würde die intensive Helligkeit der Sonne natürlich jedes Licht von weit entfernten Objekten überwältigen. Sagte Toth:
„[D]ie Beobachtungen dauern notwendigerweise lange (das Teleskop sieht ein „Pixel“ nach dem anderen, wenn es eine kilometerweite Bildebene im Fokusbereich durchquert, und für jedes Pixel müssen genügend Daten gesammelt werden, um die Auswirkungen zu mildern.“ von Rauschen, hauptsächlich von der Sonnenkorona), bei dem a) die Bewegung des Teleskops relativ zum Bild genau bekannt sein muss und b) sich der anvisierte Exoplanet selbst bewegen, sein Aussehen (Wolken, Vegetation usw.) und die Beleuchtung ändern kann. Einige dieser Probleme können als Rauschen behandelt werden, andere können durch eine clevere Bildrekonstruktionsstrategie beseitigt werden.“
Künstlerische Darstellung des Planeten Proxima b, der den Roten Zwergstern Proxima Centauri, den dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern, umkreist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Glücklicherweise gibt es einige mögliche Lösungen, die Toth und Turyshev empfehlen. Zum Beispiel fordert ihre konzeptionelle Studie die Verwendung eines Teleskops mit einem 1-Meter (3,3 ft) Hauptspiegel, obwohl auch ein 2 bis 2,5 m (6,5 bis 8 ft) Teleskop möglich sein könnte. Dies könnte erreicht werden, argumentieren sie, indem man eine kleine Flotte von bildgebenden Raumfahrzeugen schickt, die ihre Auflösung kombinieren könnten, um Aberrationen zu korrigieren.
Um mit den Störungen der Sonne fertig zu werden, muss auch ein entsprechend konstruierter Koronagraph entwickelt werden. Glücklicherweise schätzen Toth und Turyshev, dass angesichts der Brennweite der Sonne ein Koronagraph mit einem Durchmesser von ebenfalls etwa 1 m ausreicht. Ähnlich wie die Technologie für eine Konstellation kleiner Raumfahrzeuge, die sich zu einem Weltraumteleskop zusammenschließen, muss dies zukünftige Entwicklungen abwarten.
Aber die Auszahlungen, die aufgelöste Bilder potenziell bewohnbarer Planeten beinhalten würden, wären unermesslich! Stellen Sie sich vor, Sie könnten Bilder von Proxima b aufnehmen, die die Größe und Form seiner Kontinente neben seinen riesigen Ozeanen zeigen (vorausgesetzt, es gibt eines). Und wie großartig wäre es, Bilder von Proxima c zu machen, einem Gasriesen, von dem man annimmt, dass er ein Ringsystem wie Saturn hat?
Es gibt auch die drei Planeten, die innerhalb der bewohnbaren Zone von TRAPPIST-1 kreisen und die alle riesige Ozeane auf ihrer Oberfläche haben könnten. Es gibt auch die äußerst wertvollen wissenschaftlichen Daten, die wir gewinnen könnten, einschließlich Spektroskopie, die aufdecken könnte, ob die Atmosphären von nahegelegenen Exoplaneten die chemischen Signaturen enthalten, die wir mit Leben assoziieren (auch bekannt als „Biosignaturen“).
Ein dediziertes SGL-Teleskop wäre auch eine passende Ergänzung zu den vielen Teleskopen der nächsten Generation, die in den kommenden Jahren in Betrieb gehen werden. Dazu gehören Missionen wie die James Webb (JWST) und Römisches Weltraumteleskop Nancy Grace , die auf den Errungenschaften vonHubbleundKeplerdurch das Auffinden von Tausenden weiterer Exoplaneten in nahegelegenen Sternensystemen.
Ebenso bodengestützte Teleskope mit adaptiver Optik und Koronagraphen – wie die der ESO Extrem großes Teleskop (ELT) und die Riesen-Magellan-Teleskop (GMT) – ermöglicht Direct-Imaging-Studien kleinerer Gesteinsplaneten, die näher um ihre Sterne kreisen. Besonders in der Nähe von dunkleren Sternen vom Typ M (Roter Zwerg) werden hier die meisten Kandidaten für bewohnbare Planeten erwartet.
Am Ende besteht kein Zweifel, dass eine SGL eine lohnende Investition wäre, wenn wir in ein neues Zeitalter der Astronomie und Astrobiologie eintreten, das über die Entdeckung von Exoplaneten hinausgeht und sich auf die Charakterisierung und die Suche nach außerirdischem Leben konzentriert! Turyshev fasste zusammen:
„In den nächsten 10-15 Jahren werden wir mit indirekten Methoden (Transitspektroskopie, Radialgeschwindigkeit, Astrometrie, Microlensing usw.) Tausende neuer Exoplaneten entdecken. Sobald wir eine Reihe von spannenden Zielen haben, hilft uns SGL, diese zu untersuchen. Wir könnten für ein bestimmtes Ziel eine Mission in Richtung der Fokusregion des SGL starten und dieses vorausgewählte Ziel oder Zielsystem untersuchen.
Sehen Sie sich dieses Video an, das das Konzept einer solaren Gravitationslinse erklärt und wie sie die Astronomie, wie wir sie kennen, revolutionieren könnte (mit freundlicher Genehmigung des ehemaligen NASA-Astronomen Christian Ready und Startrampe Astronomie ):
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