.webp)
5 Minutės
Kodėl rasti Žemės dvynius yra taip sudėtinga
Atrasti Žemės dydžio planetą, skriejančią aplink Saulę primenantį žvaigždę, iš esmės yra kontrasto ir raiškos problema. Žvaigždė yra milijonus ar milijardus kartų ryškesnė už planetą, priklausomai nuo bangos ilgio. Kai žvaigždė ir planeta nėra erdviškai atskirti, silpnas planetos signalas paskęsta žvaigždės akinime. Optikos fizika nustato ribas: kampinė raiška proporcinga stebėjimo bangos ilgiui, padalytam iš teleskopo apertūros. Planetoms, galinčioms turėti skystą vandenį, šiluminė emisija pasiekia maksimumą maždaug ties 10 mikronų vidutiniame infraraudonajame diapazone. Tuo bangos ilgiu, kad atskirtumėte Žemės analogą nuo jo žvaigždės maždaug 30 šviesmečių atstumu, reikia surinkimo matmens maždaug 20 metrų eilės.
Reikalingi kosminiai stebėjimai, nes Žemės atmosfera išsilieja ir išsklaido vidutinio infraraudonojo vaizdus bei sukuria savo terminį foną. Didesnysis mūsų veikiančių kosminių infraraudonųjų observatorijų teleskopas, James Webb kosminis teleskopas (JWST), turi 6,5 metro skersmens pagrindinį veidrodį — toli gražu nepakanka 20 metrų masteliui, reikalingam įprastam tiesioginiam Žemės tipo planetų vaizdavimui tokiais atstumais. Paleisti monolitinį 20 metrų klasės teleskopą šiuolaikinėmis raketomis ir dislokavimo sistemomis yra pernelyg sudėtinga ir neekonomiška.
Esamos alternatyvos ir jų ribotumai
Astronomai pasiūlė kelis būdus apeiti dydžio problemą. Interferometrija sujungia signalus iš kelių mažesnių teleskopų, imituodama daug didesnę aperture, tačiau tai reikalauja formacijos skrydžio su nanometrinio tikslumo pozicionavimu per didelius pagrindus — metodai, kurie vis dar yra eksperimentaliai sudėtingi. Stebėjimas trumpesniame (matomajame) bangos ilgyje pagerina kampinę raišką tam tikram apertūros dydžiui, bet kontrastas pablogėja: matomoje šviesoje Saulę primenanti žvaigždė gali būti daugiau nei dešimt milijardų kartų ryškesnė už Žemės dvynį, o koronografai ir žvaigždės spindulio slopinimo metodai šiuo metu nebeatitinka reikalavimų.
Starshade koncepcija — išorinis užtvaras, skrendantis dešimtis tūkstančių kilometrų priešais kosminį teleskopą tam, kad užblokuotų žvaigždės šviesą — gali užtikrinti puikų kontrastą, tačiau tai reikalauja dviejų brangių kosminių laivų ir reikšmingų kuro atsargų persireguliavimui. Starshade perkėlimas tarp tikslinių žvaigždžių suvartoja misiją ribojantį propelentą, kas apsunkina daugelio kaimyninių sistemų apžvalgą.
Pragmatiška alternatyva: ilgas ir siauras veidrodis
Neseniai pasiūlytas dizainas iš naujo apmąsto veidrodžio geometriją vietoje paprasto apvalios apertūros dydžio didinimo. Vietoj didelio apvalaus veidrodžio įsivaizduokite 1×20 metrų stačiakampį pagrindinį veidrodį, veikiančią vidutiniame infraraudonajame diapazone (~10 mikronų). Palei ilgąją ašį stačiakampis užtikrina kampinę raišką, ekvivalentinę 20 metrų teleskopui, leidžiančią instrumentui atskirti žvaigždę nuo artimos planetos tuo kryptimi. Sukant teleskopą (ar jo veidrodį) skirtingais kampais, sistema gali apimtį visus pozicijos kampus aplink tikslinę žvaigždę ir taip ieškoti planetų bet kurioje žvaigždės sistemos vietoje.
Ši stačiakampė konfigūracija — iliustruota koncepciniuose tyrimuose, tokiuose kaip Diffractive Interfero Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER) modelis — siūlo praktišką būdą apžvelgti maždaug 60 Saulę primenančių žvaigždžių per 30 šviesmečių. Modeliavimas rodo, kad toks teleskopas, turintis jautrumą panašų į JWST, bet su pailga aperture, galėtų aptikti maždaug pusę Žemės dydžio planetų gyvybingumo zonoje aplink šias artimas Saulės tipo žvaigždes per mažiau nei tris metus trunkantį tyrimą. Svarbu, jog pasiūlymas nereikalauja fundamentaliai naujos fizikos ar neįmanomų inžinerinių proveržių; vietoje sudėtingo skersmens didinimo jis keičia formą ir eksploatacijos metodiką.
Misija ir stebėjimų metodika
Veikiant 10 mikronų diapazone, stačiakampis veidrodis sujungtų didelę kampinę raišką viename matmenyje su koronografinėmis ar difrakcinėmis žvaigždės šviesos slopinimo technikomis, kad būtų atpažinta silpna planetų šiluminė emisija. Tyrimų strategija būtų sukti ilgąją ašį ir kaupti signalą kiekvienoje orientacijoje, taip sukuriant dvimatį potencialių planetų aptikimų žemėlapį. Patvirtinus aptikimus, juos būtų galima gilinti spektroskopiniais stebėjimais ieškant atmosferos biosignatūrų, tokių kaip deguonis, ozonas, metanas ar vandens garai.
Ekspertų įžvalga
„1×20 metrų architektūra yra elegantiškas kompromisas“, sako dr. Maya R. Singh, astrofizikė, specializuojanti egzoplanetų instrumentacijoje. „Ji pasitelkia gerai pažįstamą infraraudonųjų detektorių technologiją ir dislokavimo patirtį iš misijų, kaip JWST, tuo pačiu suteikdama reikiamą raišką 10 mikronų diapazone. Inžinerinių iššūkių išlieka — terminis valdymas, veidrodžio stabilumas ir tiksli sukinėjimo mechanika — tačiau nė vienas jų nereikalauja esančių inžinerijos principų keitimo. Šis dizainas realistiškai galėtų pagreitinti Žemės analogų paiešką mūsų žvaigždžių kaimynystėje.“
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Jeigu Žemės tipo planetų paplitimo proporcija aplink Saulę primenančias žvaigždes yra arti vieneto, stačiakampis vidutinio infraraudonojo teleskopas galėtų identifikuoti keliolika arba dešimtis perspektyvių pasaulių per 30 šviesmečių. Šie taikiniai būtų prioritetiškai skiriami atmosferos charakterizavimui ir potencialių gyvybės požymių paieškai. Labiausiai įtikinami kandidatai ateityje gali sulaukti pažangių vaizdavimo misijų ar robotizuotų zondų, leidžiančių tiesioginį paviršiaus vaizdavimą. Stačiakampio veidrodžio koncepcija siūlo kaštus ir sudėtingumą taupantį kelią prie šių mokslinių tikslų ir papildo kitas strategijas, tokias kaip interferometrija ir starshade sprendimai.
Išvados
Pergalvojus teleskopo geometriją — pereinant nuo apvalių prie pailgų stačiakampių veidrodžių — atsiranda įmanomas būdas pasiekti reikiamą kampinę raišką tiesioginiam artimų Žemės tipo planetų vaizdavimui vidutiniame infraraudonajame diapazone. Veikiant maždaug 10 mikronų ir pasitelkiant sukimo mechaniką visų orbitalinių kampų apžvalgai, 1×20 metrų klasės instrumentas galėtų per kelis metus ištirti dešimtis greta esančių Saulės tipo sistemų ir pateikti prioritetinį biosignatūrų paieškos taikinių sąrašą. Nors reikalingi papildomi inžineriniai, optimizavimo ir misijų tyrimai, stačiakampio teleskopo koncepcija yra perspektyvus ir praktiškas žingsnis arčiau „Žemė 2.0“ paieškų.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai