5 Minuten
Kodėl rasti Žemės dvynius yra tokia sudėtinga
Aptikti Žemės dydžio planetą, besisukančią aplink saulės tipo žvaigždę, iš esmės reiškia kovą su kontrastu ir raiška. Žvaigždė spindi milijonais ar net milijardais kartų ryškiau už savo planetą, priklausomai nuo bangos ilgio. Jei žvaigždė ir planeta nėra erdviškai atskirtos, silpnas planetos signalas pranyksta žvaigždės akinime. Optikos fizika nustato ribas: kampinė raiška proporcinga stebėjimo bangos ilgiui ir atvirkščiai proporcinga teleskopo apertūrai. Planetoms, kurios galėtų turėti skystą vandenį, terminė emisija maksimumą pasiekia apie 10 mikronų viduriniame infraraudonajame diapazone. Tuo bangos ilgiu pasiekti kampinį atstumą, reikalingą atskirti Žemės analogą nuo jo žvaigždės už maždaug 30 šviesmečių, reikia surinkimo matmens maždaug 20 metrų dydžio.
Reikalingi stebėjimai kosmose, nes Žemės atmosfera neryškina vidurinio infraraudonojo vaizdų ir pati skleidžia terminį foną. Didžiausias šiuo metu veikiantis kosminis infraraudonasis observatorija, James Webb kosminis teleskopas (JWST), turi 6,5 metro pagrindinį veidrodį — tai gerokai mažiau nei 20 metrų, reikalingų nuolatiniam tiesioginiam Žemės tipo planetų vaizdavimui tokiu atstumu. Iškelti monolitinį 20 metrų klasės teleskopą dabartinėmis raketomis ir išskleidimo sistemomis būtų techniškai ir ekonominiu požiūriu sudėtinga.
Esamos alternatyvos ir jų ribotumai
Astronomai siūlė kelis būdus apeiti apertūros problemą. Interferometrija jungia signalus iš kelių mažesnių teleskopų, imituodama daug didesnį apertūrą, tačiau tai reikalauja formacijos skrydžio su nanometrinio tikslumo valdymu per didelius tarpelius — technologijos, kurios vis dar yra eksperimentinės ir sudėtingos. Stebėjimai trumpesniais (matomais) bangos ilgiais pagerina kampinę raišką tam pačiam apertūros dydžiui, tačiau kontrastas ženkliai pablogėja: matomoje šviesoje saulės tipo žvaigždė gali būti daugiau nei dešimt milijardų kartų ryškesnė už Žemės dvynį, todėl koronografai ir kitų starlight slopinimo metodų galimybės yra iššūkyje.
Konceptas su išoriniu užtvaru (starshade) — dideliu užtvaro disku, skraidančiu dešimtis tūkstančių kilometrų priešais kosminį teleskopą, kad užblokuotų žvaigždės šviesą — gali užtikrinti puikų kontrastą, tačiau reikalauja dviejų brangių kosminių aparatų ir nemažai kuro persitaikymams tarp tikslų. Starshade perkėlimas tarp žvaigždžių sunaudoja misiją ribojantį degalų kiekį, todėl sudėtingėja tokios apklausos, kuri apimtų daug netoliese esančių sistemų.
Pragmatiška alternatyva: ilgas siauras veidrodis
Neseniai pasiūlytas dizainas persvarsto veidrodžio geometriją vietoje paprasto apskritimo mastelio didinimo. Vietoje didelio apvalaus veidrodžio įsivaizduokite 1 x 20 metrų stačiakampį pagrindinį veidrodį, veikiančią viduriniame infraraudonajame diapazone (~10 mikronų). Ilgoji stačiakampio ašis suteikia kampinę raišką, ekvivalentinę 20 metrų teleskopui toje kryptyje, leidžiančią instrumentui atskirti žvaigždę nuo gretimos planetos tuo kryptimi. Sukant teleskopą (ar jo veidrodį) skirtingais kampais, sistema gali apimti visus padėties kampus aplink tikslinę žvaigždę ir taip ieškoti planetų bet kurioje žvaigždės sistemos vietoje.
Ši stačiakampė konfigūracija, iliustruota koncepciniuose tyrimuose, pavyzdžiui, Diffractive Interfero Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER) modelyje, žada praktišką kelią apžvelgti maždaug 60 saulės tipo žvaigždžių per 30 šviesmečių. Modeliavimas rodo, kad toks teleskopas, turintis jautrumą panašų į JWST, bet su pailga apertūra, per iki trijų metų trunkančią apklausą galėtų aptikti maždaug pusę Žemės dydžio planetų gyvenamųjų zonų aplink tas netoliese esančias saulės tipo žvaigždes. Svarbu, kad pasiūlymas nereikalauja fundamentaliai naujų fizikinių atradimų ar nepasiekiamų inžinerinių proveržių — jis maino skersmens didinimo iššūkį į formos ir veikimo metodo pakeitimą.
Misija ir stebėjimo metodika
Veikiant apie 10 mikronų, stačiakampis veidrodis sujungtų aukštą kampinę raišką vienoje kryptimi su koronografinėmis ar difraktinėmis žvaigždžių šviesos slopinimo technologijomis, kad būtų atskleista silpna planetinė terminė emisija. Apklausos strategija apimtų ilgosios ašies sukimąsi ir integravimą kiekvienoje orientacijoje, taip kaupiant dvikryptes detekcijas potencialių planetų vietoms. Patvirtintos detekcijos galėtų būti tiriamos spektroskopiškai, ieškant atmosferos biosignatūrų, tokių kaip deguonis, ozonas, metanas ar vandens garai.
Ekspertės įžvalga
"1 x 20 metrų architektūra yra elegantiškas kompromisas," sako dr. Maya R. Singh, astrofizikė, specializuojanti egzoplanetų instrumentacijoje. "Ji pasinaudoja gerai žinomomis infraraudonųjų detektorių technologijomis ir išskleidimo patirtimi iš misijų, tokių kaip JWST, tuo pačiu užtikrindama reikalingą raišką ties 10 mikronų. Inžinerinių iššūkių vis dar yra — terminis valdymas, veidrodžio stabilumas ir tiksli sukimo mechanika — tačiau nė vienas iš jų nereikalauja proveržių aukščiau dabartinių inžinerijos praktikų. Šis dizainas realistiškai galėtų pagreitinti Žemės analogų paiešką mūsų žvaigždiniame kaimynystėje."
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Jei Žemės tipo planetų dažnis aplink saulės tipo žvaigždes būtų artimas vienetui, stačiakampis vidurinio infraraudonojo teleskopas galėtų identifikuoti dešimtis perspektyvių pasaulių per 30 šviesmečių. Šie tikslai būtų prioritetizuojami tolimesnei atmosferos charakterizacijai, ieškant galimų gyvybės požymių. Pačių įdomiausių kandidatų atveju tolimoje ateityje robotizuotos zondų misijos ar pažangios vaizdavimo misijos galėtų leisti tiesioginį paviršiaus vaizdavimą. Stačiakampio veidrodžio koncepcija siūlo ekonomiškesnį bei mažiau kompleksišką kelią link šių mokslinių tikslų ir papildo kitas prieigas, tokias kaip interferometrija ir starshade.
Išvados
Pervairavus teleskopo geometriją — pereinant nuo apskritų prie pailgų stačiakampių veidrodžių — atsiveria įmanomas kelias pasiekti kampinę raišką, reikalingą tiesioginiam netoliese esančių Žemės tipo planetų vaizdavimui viduriniame infraraudonajame diapazone. Veikiant apie 10 mikronų ir naudojant sukiojimą, kad būtų apimtos visos orbitų padėtys, 1 x 20 metrų klasės instrumentas galėtų per kelis metus apžiūrėti dešimtis netoliese esančių saulės tipo sistemų ir pateikti prioritetų sąrašą biosignatūrų paieškai. Nors reikia papildomų inžinerinių, optimizavimo ir misijos studijų, stačiakampio teleskopo koncepcija yra perspektyvus ir praktiškas žingsnis arčiau "Žemės 2.0" paieškos.
Quelle: scitechdaily
Kommentare