5 Minutės
Kodėl taip sunku rasti Žemės dvynius
Žemės dydžio planetos, sukančiossi aplink Saulės tipo žvaigždę, aptikimas iš esmės yra kontrasto ir raiškos problema. Žvaigždė apšviečia savo planetą milijonais ar net milijardais kartų, priklausomai nuo bangos ilgio. Kai žvaigždė ir planeta nėra erdviškai atskirtos, silpnas planetos signalas pranyksta žvaigždės akinime. Optikos fizika nustato ribas: kampinė raiška skalėja su stebėjimo bangos ilgiu, padalytu iš teleskopo apertūros. Planetoms, kurios galėtų turėti skystą vandenį, terminė spinduliuotė pasiekia maksimumą maždaug ties 10 mikronų — vidurinėje infraraudonojoje srityje. Tuo bangos ilgiu, norint atskirti Žemės analogą nuo jo žvaigždės apie ~30 šviesmečių atstumu, reikėtų surinkimo dimensijos maždaug 20 metrų.
Kosminiai stebėjimai yra būtini, nes Žemės atmosfera suplaka vidurinės infraraudonosios srities vaizdus ir pati skleidžia terminį foną. James Webb kosminis teleskopas (JWST), didžiausias dabar veikiančios kosminės infraraudonosios observatorijos pavyzdys, turi 6,5 metro pirminį veidrodį — gerokai mažiau nei 20 metrų skalė, reikalinga rutininiam tiesioginiam Žemės tipo planetų vaizdavimui tokiais atstumais. Paleisti monolitinį 20 metrų klasės teleskopą dabartinėmis raketų ir išskleidimo sistemomis kelia neįveikiamų iššūkių.
Esami alternatyvūs sprendimai ir jų ribotumai
Astronomai pasiūlė kelias strategijas, kaip apeiti dydžio problemą. Interferometrija sujungia signalus iš kelių mažesnių teleskopų, imituodama daug didesnę apertūrą, tačiau tai reikalauja formacijos skrydžio su nanometrinio lygio tikslumu dideliais pagrindais — technikų, kurios vis dar yra eksperimentaliai sudėtingos. Stebėjimas trumpesniais (matomaisiais) bangos ilgiais pagerina kampinę raišką esamai apertūrai, bet kontrastas tampa dar sudėtingesnis: matomoje šviesoje Saulės tipo žvaigždė gali būti dešimtis milijardų kartų ryškesnė už Žemės dvynį, todėl koronografai ir žvaigždės šviesos slopinimo metodai pasiekia savo galimybių ribas.
Starshade koncepcija — išorinis užtvaras, skrendantis dešimtis tūkstančių kilometrų priešakyje kosminio teleskopo, kad užblokuotų žvaigždės šviesą — gali suteikti puikų kontrastą, bet reikalauja dviejų brangių kosminių laivų ir reikšmingų kuro sąnaudų persiorientuojant. Perkelti starshade tarp tikslinių žvaigždžių sunaudoja misijai ribojantį propellantą, apsunkindamas apklausas daugeliui artimų sistemų.
Pragmatiška alternatyva: ilgas, siauras veidrodis
Neseniai pasiūlytas dizainas permąsto veidrodžio geometriją, o ne tiesiog didina apvalios apertūros skersmenį. Vietoje didelio apskritimo veidrodžio įsivaizduokite 1 x 20 metrų stačiakampį pirminį veidrodį, veikiančią vidurinėje infraraudonojoje srityje (~10 mikronų). Palei ilgąją ašį stačiakampis suteiktų kampinę raišką, ekvivalentinę 20 metrų teleskopui, leisdamas instrumentui atskirti žvaigždę nuo artimos planetos toje kryptyje. Sukant teleskopą (arba jo veidrodį) skirtingais kampais, sistema galėtų apimti visas padėties ašis aplink tikslinę žvaigždę ir taip ieškoti planetų, esančių bet kurioje sistemos vietoje.
Ši stačiakampė konfigūracija — iliustruota konceptiniuose tyrimuose, tokiuose kaip Diffractive Interfero Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER) modelis — siūlo praktišką kelią apžvelgti maždaug 60 Saulės tipo žvaigždžių per 30 šviesmečių. Modeliai rodo, kad toks teleskopas, turintis jautrumą, panašų į JWST, bet su pailga aperture, galėtų aptikti maždaug pusę Žemės dydžio planetų gyvenamose zonose aplink šias artimas Saulės tipo žvaigždes per mažiau nei trejų metų trukmės apžvalgą. Svarbu, kad pasiūlymas nereikalauja naujos fizikoss ar nepasiekiamų inžinerinių proveržių; jis pakeičia sudėtingą skersmens didinimą forma ir operaciniu požiūriu.
Misija ir stebėjimo metodika
Veikdama ties 10 mikronų, stačiakampė veidrodžio forma sujungtų aukštą kampinę raišką vienoje dimensijoje su koronografinėmis arba difrakcinėmis žvaigždės šviesos slopinimo technikomis, kad atskleistų silpną planetos terminę spinduliuotę. Apklausos strategija sukrotų ilgąją ašį, integruojant kiekvienoje orientacijoje, ir taip sukurtų dvimatį kandidatų planetų vaizdą. Patvirtintus atradimus būtų galima toliau tirti spektroskopiškai, ieškant atmosferos biosignatūrų, tokių kaip deguonis, ozonas, metanas ar vandens garai.
Ekspertų įžvalga
"1 x 20 metrų architektūra yra elegantiškas kompromisas," sako dr. Maya R. Singh, astrofizikė, besispecializuojanti egzoplanetų instrumentacijoje. "Ji remiasi gerai žinomomis infraraudonųjų detektorių technologijomis ir išskleidimo patirtimi iš misijų, tokių kaip JWST, tuo pačiu suteikdama reikalingą raišką ties 10 mikronų. Inžineriniai iššūkiai lieka — terminis valdymas, veidrodžio stabilumas ir tiksli sukimo mechanika — bet nė vienas iš jų nereikalauja proveržių, kurie būtų už dabartinių inžinerinių gebėjimų ribų. Šis dizainas realistiškai galėtų paspartinti Žemės analogų paiešką mūsų žvaigždžių kaimynystėje."
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Jeigu Žemės tipo planetų paplitimo rodiklis aplink Saulės tipo žvaigždes būtų arčiau vieneto, stačiakampis vidurinės infraraudonosios srities teleskopas galėtų nustatyti dešimtis perspektyvių pasaulių per 30 šviesmečių. Šie tikslai būtų prioritetizuojami atmosferos charakterizavimui, ieškant galimų gyvybės ženklų. Labiausiai įdomiems kandidatams tolimesnės kartos robotiniai prietaisai ar pažangios vaizdavimo misijos ateityje galėtų leisti tiesioginį paviršiaus stebėjimą. Stačiakampio veidrodžio koncepcija siūlo sąnaudų ir sudėtingumo požiūriu efektyvų kelią link šių mokslinių tikslų ir papildo kitas metodikas, tokias kaip interferometrija ir starshadeʼai.
Išvados
Pergalvojus teleskopo geometriją — pereinant nuo apskritų prie pailgintų stačiakampių veidrodžių — atsiranda įmanomas metodas pasiekti kampinę raišką, reikalingą tiesioginiam artimų Žemės tipo planetų vaizdavimui vidurinėje infraraudonojoje srityje. Veikiant apie 10 mikronų ir naudojant sukimą, kad būtų apžvelgtos visos orbitų padėtys, 1 x 20 metrų klasės instrumentas galėtų per kelis metus ištirti dešimtis artimų Saulės tipo sistemų, pateikdamas prioritetinį tikslų sąrašą biosignatūrų paieškai. Nors reikia tolesnės inžinerijos, optimizavimo ir misijos studijų, stačiakampio teleskopo koncepcija yra perspektyvus ir praktiškas žingsnis arčiau Žemės 2.0 paieškos.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai