Лінза на ім’я Сонце телескоп на сонячних вітрилах
Як використовувати Сонце як лінзу, що дозволить збільшити роздільну здатність телескопа в мільярди разів і як це допоможе детально розглянути незвідані екзопланети, розбирався Indicator.Ru.
Сонячне вітрило, що забирає невеликий зонд геть з Сонячної системи. Знайомий малюнок. Тільки летить він не до найближчої сусідньої зірки, Проксіми Центавра, а у протилежному напрямку. І зонд масивніший у тисячу разів, і жодних лазерів. Це проект, який запропонували Луїс Фрідман, один із засновників Планетарної спільноти США, та В'ячеслав Туришев, співробітник Лабораторії реактивного руху NASA, професор Каліфорнійського Технологічного Інституту, МДУ та Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Про свій проект вчені розповіли на засіданні Spacenet, піднаправленні «Аеронет» Національної технологічної ініціативи (НТІ).
Збільшити у сто мільярдів разів
Викривлення променів зірок у гравітаційному полі Сонця було першим експериментом, який підтвердив правильність теорії відносності Ейнштейна. Якщо всі промені, що проходять, притягуються до нашого світила, то виходить, що воно є лінзою і можна обчислити фокусну відстань, на якій паралельні пучки зберуться, формуючи збільшене зображення оригінального об'єкта. Це так званий гравітаційний радіус Сонця, який знаходиться приблизно на відстані 550 астрономічних одиниць. Або 82,3 мільярда кілометрів, або 76 світлових годинників.
Для зонда це дуже далека відстань. Наприклад, Voyager 1, який був запущений 39 років тому, зараз знаходиться на відстані 136 астрономічних одиниць. Однак у нагороду за досягнення гравітаційного фокусу Фрідман та його колега В'ячеслав Туришев обіцяютьзбільшення у 100 мільярдів разів. Тобто об'єкти, які будуть перебувати на продовженні лінії зонд — Сонце, матимуть у тисячу разів більшу деталізацію, ніж ми розглядаємо в існуючі та перспективні телескопи. За їхніми розрахунками, оптичний телескоп у гравітаційному фокусі розміром дзеркала в один метр буде еквівалентний 80-кілометровому приладу на Землі. Поки що з оптичних телескопів нам доступні пристрої із дзеркалом розміром лише в десяток метрів.
Вчені вважають, що найефективнішим для спостереження оптичний і ближній інфрачервоний діапазон. У гравітаційному фокусі Сонця вони дозволять розглянути схожу на Землю планету на відстані близько 100 світлових років з деталізацією кілька кілометрів. Це дозволить одержати її зображення розміром близько 1000х1000 пікселів. Тоді як зараз екзопланети виявляють в основному непрямими спостереженнями, або вони помітні як один піксель на матриці найкращих телескопів.
Такий дозвіл дозволить побачити тип поверхні планети, контури континентів і навіть світло міст на нічній стороні (звісно, якщо вони там є). Для цього в кільці Ейнштейна, що виникає навколо гравітаційних лінз, доведеться відновити вихідне зображення. Сонце - неідеальна лінза і сусідні пікселі об'єкта, що розглядається, «змішуються».
Як дістатися
Поки що можливість подорожі до гравітаційного фокусу Сонця досліджується лише «на папері». Однак увага NASA до його опрацювання дає надію на те, що така подорож здійсниться у майбутньому. На відміну від популярнішого Breakthrough Starshot, що передбачає політ до найближчої відомої екзопланети Проксима Центравру b, летіти треба буде в протилежному напрямку. Загальним залишається головний двигун — для набору швидкості тежпропонується використовувати сонячне вітрило. Фрідман віддає перевагу цьому способу пересування у далеких перельотах. Він розраховує, що зонд масою в десятки кілограмів повинен буде досягти Юпітера, зробити гравітаційний маневр, розігнавшись у напрямку Сонця. Розмір вітрила становитиме 50х50 метрів для зонда масою 9 кг або 166х166 метрів при масі космічного апарату 100 кг. Пролетівши повз наше світило на відстані 0,1-0,2 астрономічної одиниці (15—30 мільйонів кілометрів), зонд розкриє сонячне вітрило і набере швидкість, яка дозволить досягти точки гравітаційного фокусу «протягом життя одного вченого». У цій точці формується дзеркало телескопа приблизно метрового радіусу, а сигнал передається на Землю в лазерному промені.
Однією з особливостей гравітаційного фокусу є те, що він, на думку вченого, неточний. Можна буде отримувати збільшене зображення, продовжуючи видалятися по лінії, що проходить через екзопланету та Сонце. Це знімає потребу нести на зонді велику кількість палива для гальмування.
Складності реалізації
Найменші відстані, велика маса зонда, відсутність необхідності у створенні мережі гігаватних лазерів роблять проект більш простим у здійсненні. Однак і щодо його впровадження є питання, і не лише фінансові.
Наприклад, належить розробити систему прийому лазерного повідомлення такій відстані. Лазер вибраний через можливість передавати мегабіти інформації, на відміну від кілобітів, одержуваних у радіодіапазоні апарату Voyager. Спотворення зображення далекої екзопланети внесе міжзоряне середовище і, переважно, сонячна корона. Але Фрідман вважає, що їх можна буде врахувати. При цьому варто мати два-три зонди одночасно, щоб зменшити кількість шумів назображенні, що виходить.
Невелика маса зонда не дозволить запасти паливо для бокового пересування, щоб зберегти планети у фокусі – це має дозволити початкова траєкторія. Відповідаючи на запитання, вчені також засумнівалися у ідеї збору міжзоряного пилу для живлення апарату. Вони відзначили, що реальніше було б використовувати елементарні частинки, але і для них конструкція, що збирається, виявляється невиправдано громіздкою.
Теоретичний маршрут
Indicator.Ru зв'язався з В'ячеславом Туришевим і дізнався, на якій стадії зараз проект, а також попросив припустити параметри майбутньої експедиції до Сонця. Вчений пообіцяв невдовзі оновити документ KISS (Keck Institute for Space Studies, Інститут космічних досліджень імені Кека, спільна організація Калтеха та NASA, — прим. Indicator.Ru) щодо цього проекту, а поки що спрогнозував основні параметри місії. Він особливо зазначив, що фізичні закони не забороняють здійснити політ уже зараз, але його інженерна реалізація складна і вимагатиме значних зусиль.
Двигуном може бути як сонячне вітрило, і електрореактивний двигун (ЕРД). Причому Туришев вважає, що вітрило не найкращий варіант. «З огляду на масу зонда, що включає метровий телескоп, нам знадобиться щось важче "Протона". Наприклад, SLS (Space Launch System, що готується, проектована важка ракета-носій NASA, що виводить на навколоземну орбіту 70—130 тонн корисної маси; її створення планується до 2028 року, — прим. Indicator.Ru). Вона зможе доставити зонд до Юпітера приблизно за рік, після гравітаційного маневру ще рік-півтора піде на наближення до Сонця, а там вітрило, що розкрилося, або електричний двигун розжене зонд до швидкості близько 30 астрономічних одиниць на рік», — описує вчений поточні деталіпроекту.
Шлях від Сонця до точки гравітаційного радіусу займе близько 30-40 років за наявних технологій і вдвічі менше, якщо вдасться реалізувати нові ідеї. При цьому телескоп на лінії гравітаційного фокусу Сонця (а це лінія, а не крапка через неідеальність лінзи) дозволить розглядати космічні об'єкти на відстані до 100 світлових років. Відправлення зондів ракетою-носієм системи SLS до швидкостей 13 астрономічних одиниць на рік дозволить також дослідити міжзоряний простір.
Питання створення лазера для зонда та приймаючої станції Туришев вважає складними, але здійсненними. А завдання обліку перешкод сонячної корони та врахування змішування сусідніх пікселів через неідеальність лінзи ще й цікавою для теоретиків.
На закінчення вчений ще раз підкреслив, що простота знайденого рішення здавалась, а інженерна реалізація складна. Необхідно гарантувати роботу зонда протягом десятків років, розробити системи управління та зв'язку на величезних відстанях, а також створити матеріали, які дозволять реалізувати вітрило з потрібними характеристиками або ЕРД належної потужності.