Teleskop, który mógłby sfotografować kontynenty i oceany na egzoplanecie? NASA jest na tak

W ciągu ostatniego ćwierćwiecza ludzie odkryli ponad 4000 planet pozasłonecznych, czyli planet krążących wokół gwiazd innych niż Słońce. Nie zmienia to faktu, że praktycznie żadnej z nich nie zobaczyliśmy bezpośrednio, a te nieliczne, które udało nam się zobaczyć, są tylko pojedynczymi pikselami. Czy naprawdę nie ma żadnego sposobu, aby porządnie sfotografować egzoplanety tak, aby ukazała się nam ona jako dysk, na którym moglibyśmy dostrzec oceany, kontynenty czy chmury?

Obecnie zwierciadła największych teleskopów naziemnych mają średnicę 10 m. W ciągu najbliższych kilku lat sytuacja jednak znacząco się zmieni. W Chile właśnie budowany jest Ekstremalnie Wielki Teleskop, którego zwierciadło ma średnicę aż 39 metrów, a przecież obok niego powstają także inne równie imponujące teleskopy takie jak chociażby TMT (Teleskop Trzydziestometrowy) czy też GMT (Gigantyczny Teleskop Magellana). Naukowcy są zgodni, że instrumenty te, kiedy już wejdą do służby, zrewolucjonizują naszą wiedzę o wszechświecie.

Nie pomogą nam natomiast wykonać zdjęcia kontynentów na egzoplanetach znajdujących się „w naszym kosmicznym otoczeniu”. Dlaczego? Otóż, aby sfotografować jakiekolwiek szczegóły powierzchni planety oddalonej od nas o 100 lat świetlnych, potrzebowalibyśmy teleskopu, którego zwierciadło nie ma 40 metrów, a 90 kilometrów. Aktualnie stworzenie takiego instrumentu jest mniej prawdopodobne niż udane lądowanie załogowe na Marsie.

Pojawiła się jednak grupa naukowców, która postanowiła poszukać rozwiązania dla tego problemu. Badacze opracowali projekt, który zakłada wysłanie miniaturowych sond z doczepionymi żaglami słonecznymi, które oddaliłyby się od Ziemi bardziej i szybciej niż jakakolwiek wcześniej wysłana sonda kosmiczna, odwróciły się w stronę Słońca i wykorzystały jego grawitację jako gigantyczne szkło powiększające. Taka flota miniaturowych sond byłaby w stanie sfotografować powierzchnię egzoplanety tak dokładnie, że bylibyśmy w stanie dostrzec na jej powierzchni struktury o rozmiarach rzędu 10 km.

Projekt Solar Gravity Lens (SGL) na pierwszy rzut oka może wydawać się czymś całkowicie nierealistycznym, a mimo to NASA we współpracy z licznymi uniwersytetami, firmami z branży kosmicznej oraz organizacjami takimi jak chociażby Planetary Society zastanawia się poważnie nad realizacją takiego projektu.

Z jednej strony jest to projekt niezwykle trudny do realizacji, ale z drugiej strony, gdyby się udało, to „uzysk” naukowy byłby przeogromny.

Naukowcy postanowili sprawdzić czy nie dałoby się w tym przypadku wykorzystać zjawiska soczewkowania grawitacyjnego. Jakby nie patrzeć już od lat zjawisko to wykorzystywane jest przez astronomów do poszukiwania odległych galaktyk, których nie bylibyśmy w stanie nigdy dostrzec, gdyby nie fakt, że grawitacja innych galaktyk, znajdujących się między nami a taką odległą galaktyką zakrzywia biegnące w naszą stronę promienie i powiększa obraz niczym szkło powiększające. Aby zobaczyć powiększony obiekt za soczewką, wystarczy się znaleźć w odpowiedniej odległości od niego, w tak zwanym ognisku.

Badacze z projektu SGL uważają, że tak samo można fotografować egzoplanety, wystarczy wysłać sondę w kierunku ogniska soczewki. Dla przykładu, w przypadku egzoplanety oddalonej od nas o 100 lat świetlnych, ognisko soczewki jaką byłoby Słońce, znajduje się 97 mld km stąd, czyli 16 razy dalej niż Pluton.

Dla perspektywy, sonda Voyager 1, która wystartowała z Ziemi w 1977 r. i znajduje się obecnie najdalej ze wszystkich obiektów kiedykolwiek wysłanych przez człowieka z Ziemi, oddaliła się od Słońca dopiero na 20 mld km.

Naukowcy proponują wykorzystanie żagli słonecznych, które pchane ciśnieniem promieniowania Słońca mogłyby przez bardzo długi czas bezustannie przyspieszać. Na samym początku misji sondy skierowane zostałyby w stronę Słońca. Przelatując w jego pobliżu wykorzystałyby jego grawitację, aby przyspieszyć i rozpocząć podróż na zewnątrz Układu Słonecznego. W ten sposób do celu mogłyby dotrzeć w ciągu „zaledwie” 25 lat.

Zamiast masywnych, ciężkich do rozpędzenia sond, badacze woleliby wysłać eskadrę małych sond, które mogłyby być wynoszone w przestrzeń kosmiczną niejako „przy okazji” podczas startu innych satelitów. Jeden z pomysłów mówi o wykorzystaniu cubesatów, satelitów o rozmiarach rzędu 10 x 10 x 10 cm, które następnie mogłyby się ze sobą łączyć w większy instrument optyczny już w przestrzeni kosmicznej. Jeżeli udałoby się obniżyć koszty produkcji takich satelitów, można byłoby je wysłać w ogniska soczewki dla wielu różnych egzoplanet.

Po dotarciu do ogniska i odwróceniu się w stronę Słońca, detektor dostrzegłby światło pochodzące od egzoplanety, rozmazane w łuk, tak zwany Pierścień Einsteina składający się z dwóch części. Jedna część składałaby się z pojedynczego fragmentu 10 x 10 km na powierzchni obserwowanej planety, który stanowiłby 1 piksel na naszym zdjęciu. Druga część zawierałaby promieniowanie pochodzące z reszty planety. Przelatując przez ognisko soczewki, sonda musiałaby się nieznacznie przemieszczać wykorzystując do tego np. Miniaturowe silniki jonowe, aby zmieniać swoje położenie w ognisku. Przy założeniu, że mielibyśmy do dyspozycji odpowiednie instrumenty optyczne, wykonanie miliona zdjęć pierścieni z różnych lokalizacji pozwoliłoby nam zrobić zdjęcie egzoplanety przypominające zdjęcie Ziemi wykonane z okolic Księżyca w 1968 r.

Wyzwania technologiczne stojące przed inżynierami, którzy podejmą się realizacji takiej misji, będą przeogromne. Wystarczy wspomnieć chociażby o niezwykle precyzyjnej nawigacji i komunikacji przy tak dużych odległościach, czy też o potrzebie stosowania przesłon, które będą osłaniały instrumenty przed promieniowaniem nie tylko tarczy słonecznej, ale także przed promieniowaniem gwiazdy macierzystej obserwowanej przez nas planety.

Mimo to NASA uważa, że warto dokładniej zgłębić temat. Z tego też powodu, agencja postanowiła autorom projektu przyznać 2 mln dol. grantu z programu NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts), w którym wspierane są najbardziej innowacyjne pomysły. Zapewne za naszego życia takiej misji już nie doczekamy, a przynajmniej jej wyników naukowych, ale obecni nastolatkowie mają na to całkiem dużą szanse.