Футуристический проект астрономов Стэнфордского университета предлагает исследовать экзопланеты при помощи «гравитационного телескопа». Используется принцип гравитационной линзы — искривление световых лучей от звезды вблизи массивного космического объекта. В данном случае рассматривать экзопланеты будут на фоне Солнца. При достаточном времени наблюдения метод позволит составить не слишком подробную карту поверхности и даже высказать суждения об обитаемости планет, удалённых до сотен световых лет. Но для этого нужно разместить обсерваторию на расстоянии хотя бы 18 орбит Нептуна.
Со времени открытия первой экзопланеты в 1992 году их обнаружили более 5 тысяч. Но в подавляющем большинстве случаев максимум сведений об таких планетах, которые удаётся получить — это их масса и размер. Уже из этих данных можно найти плотность планеты и тем самым отнести её к одному из знакомых классов, то есть определить, является ли она «каменной», похожей на Марс или Землю, или газовым гигантом вроде Юпитера. В некоторых случаях по спектру излучения можно определить состав атмосферы планеты или даже скорость её вращения (об этом см. недавнюю статью). Но о получении прямого изображения планеты в большинстве случаев речи нет. Прямые изображения экзопланет удаётся получить, как правило, только закрыв звезду коронографом и проинтегрировав световой сигнал от множества снимков. Подробнее об этих проблемах можно прочитать в других статьях на нашем сайте, например, в этой недавней заметке по ссылке. Прямые изображения пока получены для нескольких десятков планет из нескольких тысяч. Учитывая всё это, ещё менее реальны надежды на составление географической карты далёкой планеты.
Для обхода физических ограничений обычных телескопов стэнфордские астрофизики разработали проект телескопа, который потенциально может в тысячу раз превзойти возможности современной техники наблюдения за космическими объектами. Для этого используется эффект гравитационного линзирования: луч света от далёкого объекта искривляется в гравитационном поле Солнца. Если расположить телескоп так, чтобы Солнце оказалось на линии зрения от далёкой экзопланеты, можно добиться эффекта линзирования: Солнце будет притягивать лучи света от объекта и даже фокусировать их на некотором расстоянии, тем самым работая как увеличительная линза. Статья с описанием такого гравитационного телескопа вышла 2 мая 2022 года в The Astrophysical Journal.
Гравитационное линзирование — сравнительно новая, но работающая технология, которая применяется также для поиска экзопланет. Подробнее про неё можно прочитать в других статьях, например, в материале о недавнем открытии экзопланеты в необычном для наблюдений месте — в сторону галактического антицентра. Также эту идею предлагают для проектов, которые удастся реализовать только в достаточно отдалённом будущем. Так, недавно была предложена концепция «галактического интернета» — связи между абонентами, находящимися возле звёзд в разных областях Галактики (подробно об этом — по ссылке.
Предполагается, что этот способ наблюдения даст возможность получать снимки поверхности далёких планет. При этом планету на расстоянии до 100 световых лет можно будет сфотографировать с разрешением, сопоставимым с разрешением фотографий Земли с аппарата «Аполлон 8» (первого пилотируемого корабля, достигшего в 1968 году орбиты Луны). На сегодня те немногие снимки экзопланет, которые удаётся получить, представляют объект в лучшем случае в виде точки размером в несколько пикселей (например, см. недавнюю заметку).
Этому идеальному плану мешают издержки. Прежде всего технологии полётов в космос должны быть значительно более развиты по сравнению с доступными сегодня и позволять отлетать от Земли на значительные расстояния, а также использовать такие далеко летающие космические корабли как базы для запуска собственных исследовательских зондов. Достаточно упомянуть, что «гравитационный фокус» Солнца находится в 542 астрономических единицах от него — именно на это расстояние или дальше должен удалиться космический корабль, чтобы использовать «солнечную линзу» со сфокусированным световым пучком.
Существование эффекта гравитационной линзы было экспериментально подтверждено в 1919 году во время наблюдения солнечного затмения. Видимые положения звёзд на небесной сфере за диском Солнца оказались смещены по сравнению с их известными небесными координатами. Это стало одним из первых экспериментальных подтверждений Общей теории относительности. Через шестьдесят лет, в 1979 году, астрофизик из Стэнфорда профессор фон Р. Эшлеман первым предложил использовать в качестве гравитационной линзы Солнце для наблюдения за космическими объектами. Тогда же стало понятно, что для воплощения этого подхода космический корабль следует как-то переместить на расстояние не менее 540 а.е. от Солнца, поэтому практическую реализацию идеи отложили на потом (Нептун находится на расстоянии 30 а.е.; Плутон, который тогда считали планетой — 50 а.е. в самой далёкой точке орбиты; «Вояджеры» с начала 1970-х годов пока отлетели на 120 а.е. от Солнца).
В 2020 году технологию получения и обработки изображений при помощи гравитационной линзы перенесли на исследование экзопланет — также в проектах «умеренно-отдалённого будущего». Астрофизики из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института описали алгоритм работы такого гравитационного телескопа: космическая обсерватория отправляет ракеты в космос со своей орбиты. Эти ракеты работают как вспомогательные телескопы: они сканируют пространство на достаточном удалении от станции и собирают световые сигналы от планеты. Потом полученные данные собираются — и из них интегрируют фотографию планеты в приемлемом разрешении. Сбор данных с зондов должен выполняться в течение порядка шести месяцев, в результате чего такая линза может восстановить изображение экзопланеты с разрешением около 25 км на пиксель. Этого должно хватить для составления мелкомасштабной карты поверхности и даже нахождения признаков обитаемости планеты. Также ведущий автор этого концепта, российский и американский астрофизик Вячеслав Турышев, работающий в Jet Propulsion Lab, предполагает возможность доставки такой обсерватории на место при помощи нескольких солнечных парусов, которые позволили бы достичь необходимого удаления всего за 17 лет.
На основе этих разработок авторы недавней статьи предложили новый метод, который позволяет реконструировать изображение планеты по одному снимку, сделанному против Солнца. Алгоритм восстановления изображения предполагает сбор лучей от светового кольца вокруг Солнца от объекта за ним (кольца Эйнштейна). После этого решается обратная задача — кольцо света превращается в снимок диска планеты, на котором можно различить крупные структуры уровня хотя бы материков и океанов, если они на планете имеются.
Действие алгоритма авторы продемонстрировали на примере единственного пока что доступного для экспериментов космического объекта — вращающейся Земли. В качестве исходных использовали снимки Земли с космического аппарата DSCOVR, находящегося на орбите между Землёй и Солнцем. При помощи компьютерной обработки Землю «удалили» на расстояние 100 парсек и поместили точно за Солнцем, после чего сгенерировали световое кольцо вокруг Солнца от изображения этой удалённой Земли, соответствующее гравитационному искривлению лучей. Такое кольцо должен увидеть космический аппарат на расстоянии 650 астрономических единиц — конечно, при этом он должен собрать и отфильтровать лучи именно от изображения Земли, проигнорировав все окрестные звёзды и прочие фоновые объекты. По сигналу светового кольца удаётся восстановить исходное изображение в более-менее узнаваемом виде. Разумеется, чёткость реконструкции критически зависит от соотношения сигнала и шума. Поскольку «исходник», или заведомо обитаемая Земля на расстоянии 100 парсек — это всего-навсего компьютерный алгоритм, переместивший нашу Землю туда (прямая задача), отношение сигнал/шум можно задать каким угодно. Оно выбирается исходя из неких разумных соображений; не в последнюю очередь таким, чтобы можно было продемонстрировать успешную реконструкцию (обратная задача). На что можно будет рассчитывать в реальности — сказать сложно. Тем более нужно будет позаботиться о точном позиционировании корабля и Солнца как раз на линии луча до планеты, и решить, как отфильтровать свет от самой родительской звезды. Пока что это очень трудная задача и для обычных методов охоты за экзопланетами.
На современном уровне технологий путешествие до места установки гравитационного телескопа займёт 100 лет. Предполагается, что с использованием солнечного паруса можно уложиться в 20—40 лет. Обсерватория должна будет точно юстироваться так, чтобы Солнце было на линии луча от объекта, для чего уже на месте она должна иметь достаточно топлива для манёвра, а также для смены точки наблюдения. В настоящее время рассматривается один похожий проект, а именно миссия FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens) — пока что, увы, гипотетический космический корабль, который отправится на расстояние 540 а.е. и сможет использовать Солнце в качестве гравитационной линзы. Проект был предложен ещё в 1993 году, и читатель может сам высказать обоснованные предположения, когда такой корабль всё же будет построен и отправится в путь.
