Na ten pomysł wpadł geniusz. Sonda do Neptuna będzie detektorem fal grawitacyjnych

Co w niej takiego fascynującego? Otóż może ona przy okazji dokonać przełomu w innej dziedzinie astronomii, zupełnie niezwiązanej z planetami.

To wydaje się wręcz skandaliczne. Przez ostatnie niemal trzy dekady naukowcom udało się odkryć ponad cztery tysiące planet pozasłonecznych. Wśród z nich znajdują się gazowe olbrzymy dosłownie ocierające się o powierzchnię swojej gwiazdy, planety, na których z nieba pada roztopione żelazo, planety podobne do Ziemi czy planety dosłownie znikające na naszych oczach.

Tymczasem na naszym własnym podwórku mamy ogromne zaniedbania. Owszem, wysyłamy łaziki na Marsa jak szaleni, mamy sondy przy Jowiszu, do niedawna mieliśmy sondę Cassini przy Saturnie, zbadaliśmy Westę i Ceres, przywozimy na Ziemię próbki z Księżyca, planetoid, komet, planujemy sondy do Fobosa, Europy i Ganimedesa. A tymczasem, kawałek dalej, w zupełnej ciszy wokół Słońca krążą sobie Uran i Neptun, dwa lodowe olbrzymy, które jak dotąd odwiedziliśmy tylko raz. Co więcej, obie planety odwiedziła jedna i ta sama sonda kosmiczna - Voyager 2.

24 stycznia 1986 r. sonda zbliżyła się do chmur Urana na 81 558 km. W trakcie przelotu sonda wykonała około 6000 zdjęć planety. Obserwacje planety zakończyły się miesiąc później po wykonaniu manewru korekty trajektorii lotu. Pierwsze obserwacje Neptuna zostały wykonane na początku czerwca 1989 r. Dwudziestego piątego sierpnia tego roku Voyager 2 przeleciał w odległości 4500 km od chmur Neptuna. Obserwacje planety zakończyły się 2 października 1989 r.

Od tego czasu minęło już ponad 30 lat, a z Ziemi w kierunku planet nie poleciała już żadna inna sonda. Problem z sondami kierowanymi do tych planet jest jeden - odległość. Do Urana jest z Ziemi niemal 3 mld km, a do Neptuna ponad 4,5 mld km, a więc czas lotu sondy kosmicznej do nich jest znaczący. W przypadku sondy Voyager 2 inżynierowie skorzystali z doskonałej konfiguracji planet, która umożliwiała skorzystanie z asysty grawitacyjnej ze strony gazowych olbrzymów, co znacząco skróciło czas lotu do lodowych olbrzymów.

Autorzy nowego artykułu argumentują, że taka okazja wkrótce znowu się powtórzy. Oczywiście słowo „wkrótce” należy tutaj rozpatrywać w kontekście kosmicznym. Opracowany przez nich plan zakłada wysłanie sondy za pomocą rakiety SLS (a co!) w kierunku Jowisza na początku lat trzydziestych. Dzięki tej jakże potężnej rakiecie hipotetyczna sonda mogłaby dolecieć do Jowisza w dwa lata, gdzie grawitacja największej planety zupełnie za darmo zapewniłaby jej odpowiednie przyspieszenie.

Tu się robi ciekawie. Wyobraźcie to sobie: tuż przed podejściem do Jowisza okazuje się, że lecąca już od dwóch lat sonda to tak naprawdę dwie sondy lecące razem. Inżynierowie misji oddzielają w tym miejscu jedną od drugiej i po asyście grawitacyjnej każda z nich zaczyna lecieć samodzielnie. Jedna leci do Urana, druga do Neptuna.

Teraz najfajniejsze: dzięki przyspieszeniu pierwsza sonda dolatuje do Urana już 2042 roku, a druga kilka lat później do Neptuna. Co ważne, dolatują z odpowiednio niską prędkością, dzięki czemu wchodzą na orbitę wokół swoich planet, gdzie niczym sonda Cassini przy Saturnie, badają je szczegółowo przez kolejną dekadę, rewolucjonizując naszą wiedzę o tych fascynujących globach. Czego chcieć więcej? Okazuje się, że można dużo więcej.

Fale grawitacyjne zostały niejako przewidziane przez Alberta Einsteina już ponad 100 lat temu, a mimo to po raz pierwszy zostały zaobserwowane 14 września 2015 r. Samemu Einsteinowi wydawało się, że choć wynikają mu one z równań, to raczej nie uda się ich nigdy zarejestrować. Tymczasem zbudowany do tego celu detektor LIGO pierwsze fale odkrył jeszcze podczas testów rozruchowych. Okazało się, że wszechświat faluje jak szalony.
Fale grawitacyjne emitowane są podczas bardzo potężnych zderzeń we wszechświecie, np. w procesie zlewania się czarnych dziur czy też w zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych. Gdy taka fala przemierza czasoprzestrzeń, sprawia, że przestrzeń nieznacznie kurczy się i rozszerza, a wraz z nią wszystkie obiekty się w niej znajdujące.

Detektor LIGO składa się z dwóch ułożonych pod kątem prostym ramion, w których w niemal idealnej próżni znajdują się oddalone od siebie o 4 km zwierciadła bezustannie odbijające między sobą wiązkę laserową. W momencie gdy przez Ziemię przechodzi fala grawitacyjna, przestrzeń i obiekty, w tym także detektor nieznacznie się kurczą i rozszerzają. Wiązka laserowa biegnąca przez chwilowo krótsze ramię detektora szybciej wraca do odbiornika, przez co naukowcy są w stanie określić, że właśnie doszło do detekcji fali grawitacyjnej. Warto zauważyć, że efekt ten jest wprost niewiarygodnie mały - skrócenie 4-kilometrowego ramienia osiąga rozmiary mniejsze od rozmiarów pojedynczego atomu.

Naukowcy ze Szwajcarii zauważyli, że gdybyśmy wysłali sondę do Urana i Neptuna, taka sonda bezustannie przesyłałaby na Ziemię dane. Inżynierowie w trakcie podróży także wysyłaliby do niej odpowiednie dane. Fale radiowe przesyłane z sond na Ziemię mogłyby stanowić odpowiednik wiązki laserowej odbijanej w ramionach detektora fal grawitacyjnych.

Gdyby naukowcom w ciągu najbliższych dziesięciu lat udało się opracować technologię precyzyjnego ustalania przesunięcia dopplerowskiego sygnału docierającego do nas od sondy, bylibyśmy w stanie ustalić kiedy doszło do przelotu fali grawitacyjnej między Ziemią a sondą kosmiczną. Po drodze do lodowego olbrzyma, sonda tym samym stałaby się gigantycznym detektorem o długości ramienia rzędu miliardów kilometrów. Co więcej, gdyby faktycznie doszło do stworzenia „podwójnej” sondy, która leciałaby do Urana i do Neptuna, za Jowiszem mielibyśmy już dwa różne ramiona detektora, co pozwalałoby nie tylko na dokładniejsze obserwacje, ale także na chociaż częściowe ustalenie kierunku, w którym znajduje się źródło fal grawitacyjnych.

Przede wszystkim precyzja pomiaru częstotliwości sygnału docierającego z sondy na Ziemię. Naukowcy szacują, że musiałaby być ona ponad 100 razy wyższa od komunikacji zastosowanej w przypadku sondy Cassini. Jak sami jednak zauważają. Od czasu projektowania sondy Cassini także minęło już ponad 20 lat i technika znacząco poszła do przodu. Tym bardziej, że na wysłanie sondy jest jeszcze ponad 10 lat.

Wysiłek z pewnością by się opłacił, bowiem nie dość, że środowisko planetologów mogłoby całkowicie zrewolucjonizować swoją wiedzę o Uranie, Neptunie i ich księżycach, to po drodze do tych planet naukowcy mogliby teoretycznie odkryć nawet kilkadziesiąt zderzeń czarnych dziur, być może nawet zderzenie supermasywnych czarnych dziur, coś, czego obecnie wciąż jeszcze nie jesteśmy w stanie zobaczyć. Ten projekt nie ma słabych stron. To co, czekamy? Proszę tylko o brak opóźnień w projekcie, bo nawet jeżeli wszystko pójdzie zgodnie z planem, to sonda doleci do Neptuna, gdy ja będę się zbliżał do siedemdziesiątki…