.webp)
5 Minuten
Kodėl rasti Žemės dvynius yra taip sudėtinga
Aptikti Žemės dydžio planetą, skriejančią aplink Saulės tipo žvaigždę, iš esmės yra kontrasto ir raiškos problema. Žvaigždė užtikrina daug daugiau šviesos nei planeta — nuo milijonų iki milijardų kartų, priklausomai nuo bangos ilgio. Kai žvaigždė ir planeta nėra erdviškai atskirti, menkas planetos signalas pranyksta žvaigždės akinime. Optikos fizika nustato ribas: kampinė raiška proporcinga stebimo bangos ilgiui dalytam iš teleskopo skersmens. Planetoms, kurios gali turėti skystą vandenį, terminis spinduliavimas maksimaliai pasiekia maždaug 10 mikronų vidutinėje infraraudonojoje srityje. Tuo bangos ilgiu, norint pasiekti kampinį atskyrimą, leidžiantį atskirti Žemės analogą nuo žvaigždės maždaug per ~30 šviesmečių, reikia surinkimo dimensijos maždaug 20 metrų skalėje.
Stebėjimams kosmose būtina, nes Žemės atmosfera išblukina vidutinės infraraudonosios srities vaizdus ir pati skleidžia termiškai foną. Jameso Webbo kosminis teleskopas (JWST), didžiausias mūsų veikiančių kosminių infraraudonųjų observatorijų teleskopas, turi 6,5 metro pagrindinį veidrodį — gerokai mažesnį nei reikalinga 20 metrų skalė, kad būtų galima įprastai tiesiogiai vaizduoti Žemės tipo planetas tokiu atstumu. Paleisti monolitinį 20 metrų klasės teleskopą yra neįveikiama užduotis esamoms raketoms ir išskleidimo sistemoms.
Esamos alternatyvos ir jų ribos
Astronomai pasiūlė keletą strategijų, kaip apeiti dydžio problemą. Interferometrija sujungia signalus iš kelių mažesnių teleskopų, imituodama daug didesnį diafragmą, tačiau tai reikalauja formacijos skrydžio su nanometro lygio tikslumu per didelius atstumus — tai dar praktiniame lygmenyje techniškai sudėtinga. Stebėjimas trumpesniais (matomais) bangų ilgiais pagerina kampinę raišką esant tam pačiam aperture, tačiau kontrastas tampa dar sudėtingesnis: matomoje šviesoje Saulės tipo žvaigždė gali būti daugiau nei dešimt milijardų kartų ryškesnė už Žemės dvynį, todėl koronografai ir šviesos slopinimo metodai viršija dabartines galimybes.
Starshade (išorinis užtamsintojas) — tai koncepcija, kai užtamsintojas skrieja dešimtis tūkstančių kilometrų priekyje kosminio teleskopo, kad užblokuotų žvaigždės šviesą — gali suteikti puikų kontrastą, tačiau tai reikalauja dviejų brangių kosminių laivų ir reikšmingo kuro retargetavimui. Perkelti užtamsintoją tarp tikslinių žvaigždžių sunaudoja misijai ribojamą propellantą, komplikuodamas daugelyje gretimų sistemų vykdomus tyrimus.
Pragmatiška alternatyva: ilgas, siauras veidrodis
Neseniai pasiūlytas dizainas pergalvoja veidrodžio geometriją vietoje to, kad paprasčiausiai padidintų apskritą apertūrą. Vietoje didelio apvalaus veidrodžio, įsivaizduokite 1 × 20 metrų stačiakampį pagrindinį veidrodį, veikiančią vidutinėje infraraudonojoje srityje (~10 mikronų). Stačiakampio ilgoji ašis suteikia kampinę raišką, atitinkančią 20 metrų teleskopą, leidžiančią instrumentui atskirti žvaigždę nuo netoliese esančios planetos šioje kryptimi. Sukant teleskopą (arba jo veidrodį) per skirtingus kampus, sistema gali apimti visus padėties kampus aplink tikslinę žvaigždę ir taip ieškoti planetų bet kurioje žvaigždės sistemos vietoje.
Ši stačiakampė konfigūracija — iliustruota koncepciniuose tyrimuose, pvz., Diffractive Interfero Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER) modelyje — žada praktišką kelią apžvelgti maždaug 60 Saulės tipo žvaigždžių per 30 šviesmečių ribą. Modeliavimas rodo, kad toks teleskopas, su jautrumu panašiu į JWST, bet su pailga apertūra, galėtų aptikti maždaug pusę Žemės dydžio planetų gyvenamose zonose aplink šias netolimesnes Saulės tipo žvaigždes per tyrimą, trunkantį mažiau nei tris metus. Svarbu, kad pasiūlymas nereikalauja fundamentaliai naujos fizikos ar nepasiekiamų inžinerinių proveržių; jis mainais už sunkiai įgyvendinamą skersmenio didinimą siūlo formos ir operacinio požiūrio pakeitimą.
Misija ir stebėjimo metodika
Veikiant 10 mikronų bangos ilgiu, stačiakampis veidrodis sujungtų didelę kampinę raišką vienoje dimensijoje su koronagrafinėmis arba difrakcinėmis šviesos slopinimo technikomis, kad atskleistų silpną planetos termišką spinduliavimą. Apžvalgos strategija sukiojant ilgąją ašį ir integruojant kiekvienoje orientacijoje leistų suformuoti dvimatę kandidatų planetų detekciją. Patvirtintas aptikimas gali būti toliau ištirtas spektroskopiškai, ieškant atmosferos biosignatūrų, tokių kaip deguonis, ozonas, metanas ar vandens garai.
Eksperto įžvalga
"1 × 20 metrų architektūra yra elegantiškas kompromisas," sako dr. Maya R. Singh, astrofizikė, specializuota egzoplanetų instrumentacijoje. "Ji pasinaudoja pažįstama infraraudonųjų detektorių technologija ir išskleidimo patirtimi iš misijų, tokių kaip JWST, tuo pačiu suteikdama reikiamą raišką 10 mikronų srityje. Inžineriniai iššūkiai išlieka — terminė kontrolė, veidrodžio stabilumas ir tikslūs sukimo mechanizmai — tačiau nė vienas iš jų nereikalauja praktinių inžinerinių proveržių už dabartinių galimybių ribų. Šis dizainas realistiškai galėtų pagreitinti Žemės analogų paiešką mūsų žvaigždžių kaimynystėje."
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Jeigu Žemės tipo planetų, skriejančių aplink Saulės tipo žvaigždes, paplitimas yra arti vieneto, stačiakampis vidutinės infraraudonosios srities teleskopas galėtų identifikuoti dešimtis perspektyvių pasaulių per 30 šviesmečių. Tie taikiniai būtų prioritetizuojami atmosferos charakterizavimui, siekiant aptikti galimus gyvybės ženklus. Pačiai įtikinamiausiai kandidatūrai tolimos ateities robotiniai zondai arba pažangios imaging misijos galėtų leisti tiesioginį paviršiaus vaizdavimą. Stačiakampio veidrodžio koncepcija siūlo kaštų ir sudėtingumo požiūriu efektyvų kelią į šiuos mokslinius tikslus ir papildo kitas prieigas, tokias kaip interferometrija ir starshades.
Išvados
Pergalvojant teleskopo geometriją — pereinant nuo apskritų prie pailgintų stačiakampių veidrodžių — suteikiama įgyvendinama priemonė pasiekti kampinę raišką, reikalingą artimų Žemės tipo planetų tiesioginiam vaizdavimui vidutinėje infraraudonojoje srityje. Veikiant ~10 mikronų ir išnaudojant sukimosi strategiją visiems orbitiniams kampams apžvelgti, 1 × 20 metrų klasės priemonė galėtų per keletą metų ištirti dešimtis netolimų Saulės tipo sistemų, pateikdama prioritetinį sąrašą taikinių biosignatūrų paieškai. Nors reikalingi tolesni inžineriniai tyrimai, optimizacija ir misijų studijos, stačiakampio teleskopo koncepcija yra perspektyvus, praktiškas žingsnis arčiau tikslų rasti „Žemę 2.0" ir tyrinėti egzoplanetas bei jų atmosferas.
Quelle: scitechdaily
Kommentare