Matahari akan menjadi teleskop

Matahari akan menjadi teleskop

Vyacheslav Turyshev,
Makmal Jet Propulsion NASA, Institut Teknologi California; GAISH MSU, Universiti Federal Kazan (Volga Region)
"Kommersant Science" №4, Jun 2017

Dalam kajian exoplanets dalam beberapa tahun kebelakangan ini, terdapat kemajuan besar. Dunia cepat mendekati hari apabila surat khabar terbesar di dunia akan menjadi tajuk utama di muka depan: "Eksoplanet seperti bumi yang didiami dahulu telah ditemui!" Penemuan sedemikian akan menjadi peristiwa yang sangat bersejarah untuk tamadun kita. Tetapi apa yang akan kita lakukan selepas penemuan sedemikian? Bagaimana untuk meneroka dunia baru ini? Lagipun, untuk menghantar kapal angkasa untuk meneroka planet ini, yang terletak pada jarak-jarak terang, kita tidak mungkin berjaya dalam beberapa abad akan datang.

Mujurlah, secara semula jadi terdapat alat unik yang belum kita pelajari bagaimana menggunakannya, tetapi yang dapat membantu kita dalam kajian exoplanet. Alat ini adalah lensa graviti Matahari (FPP), yang wujud disebabkan oleh fakta bahawa sumber padat medan graviti, seperti Matahari, mampu memfokuskan cahaya dari sumber jauh yang lemah dan dengan itu meningkatkan kecerahannya.

Menurut Teori Relativiti Umum Einstein, graviti membungkuk geometri ruang-waktu – objek besar-besaran yang membantah trajektori foton, iaitu bertindak sebagai lensa, dan sinar cahaya yang melewati massa lensa bertumpu dalam fokus (lihat angka), sehingga meningkatkan kecerahan cahaya dari jarak jauh sumber. Sudut lenturan lekapan foton adalah berkadar dengan jisim badan angkasa dan berkadar songsang dengan jarak terpendek dari badan ini ke arah asal usul pancaran cahaya yang dipersoalkan, yang dipanggil parameter yang bertujuan dalam fizik.

Imej lensa graviti solar exo-Earth. Pada jarak 650 a. e Dari Matahari, Exo-Earth merangkumi kawasan 1.5 km × 1.5 km dalam satah imej. Menggunakan teleskop 1 meter memberikan imej 1000 × 1000 piksel atau dengan resolusi 10 km × 10 km di permukaannya

Di antara badan angkasa Sistem Suria, hanya Matahari yang cukup besar sehingga tumpuan lensa graviti berada pada jarak yang dapat dicapai oleh ekspedisi ruang dalam waktu dekat. Bergantung pada parameter impak, tumpuan FPP adalah garis lurus separuh tanpa batas yang bermula pada jarak kira-kira 547 unit astronomi (a.e.) dari Matahari, iaitu, pada jarak yang hampir empat kali lebih lama daripada yang dilalui oleh kapal angkasa Voyager 1 dari pelancarannya pada tahun 1979 hingga sekarang. Oleh itu, kanta graviti tidak mempunyai fokus dalam erti kata biasa, tetapi terdapat garis fokus. Dalam kes FPP, garis fokus adalah koleksi mata dalam ruang yang berada di garisan yang menghubungkan pusat-pusat Matahari dan exoplanets yang diperhatikan dan berada di luar 547 a. e di seberang matahari dari exoplanets.

Unit Astronomi (a. e.) – jarak purata dari Bumi ke Matahari, kira-kira 150 juta kilometer.

Tahun cahaya – jarak yang dilalui oleh cahaya dalam vakum untuk tahun ini, kira-kira 63 ribu a. e.

Parsec – kira-kira 3.3 tahun cahaya.

FPP adalah luar biasa dengan itu, dengan menumpukan cahaya dari sumber jauh, adalah mungkin untuk membezakan butiran objek terkecil pada jarak yang jauh. Di dalam rangkaian optik, FPP yang mempunyai resolusi sudut yang luar biasa satu detik kedua-dua belas-detik memberikan peningkatan kecerahan sumber kira-kira 100 bilion kali; jika penunjuk sedemikian akan dicapai oleh instrumen biasa, mungkin dengan jelas mempertimbangkan butir-butir benda kecil seperti Voyager 1, pada jarak lebih daripada 5000 a. e. Dengan bantuan FPP 600-750 a. e.dari Matahari, ia mungkin dapat melihat imej bumi ekso, yang terletak, berkata, pada jarak kira-kira 100 tahun cahaya. Imej bumi exo seperti itu akan dimampatkan kira-kira 1.5 km dan akan ditempatkan di dalam diameter silinder nipis 1.5 km berdekatan dengan garis fokus.

Setakat jarak dari Matahari dikeluarkan, sifat-sifat FPP kekal hampir tidak berubah, maka kapal angkasa dengan teleskop mungkin tidak berhenti setelah mencapai 547 a. – sebaliknya, untuk terus bergerak di sepanjang garis fokus selama bertahun-tahun. Adalah jelas bahawa sebuah teleskop kecil tidak akan melihat keseluruhan imej 1.5 km – hanya sebahagian kecil, sepadan dengan tapak 10 kilometer di permukaan sebuah exoplanet. Teleskop akan melihat cahaya dari tapak ini di planet ini dalam bentuk cincin nipis di sekitar Matahari, yang dipanggil cincin Einstein. Sebuah kapal angkasa yang terletak di mana saja di garis pusat boleh melakukan pemerhatian, menerima dan menghantar data menggunakan peralatan yang biasa digunakan untuk misi antar planet.

Tetapi apabila membina imej, teleskop harus melihat langsung di Matahari, jadi teleskop perlu menghalang kedua-dua cahaya matahari dan sebahagian daripada corona solar.Ini boleh dilakukan dengan bantuan coronagraph, sebuah alat gerhana matahari buatan, yang dapat meredakan sinar matahari kira-kira sejuta kali, yang akan memungkinkan untuk melihat cahaya dari exoplanet terhadap latar belakang matahari.

Pengimejan bumi exo akan dilakukan pixel-by-pixel, menggerakkan kapal angkasa sepanjang trajektori lingkaran dalam satah imej. Dalam setiap kedudukan baru, teleskop akan memerhatikan bahagian yang sedikit berbeza daripada cincin Einstein, yang mengandungi imej yang dipertingkatkan dari bahagian permukaan permukaan eksoplanet yang baru. Walau bagaimanapun, sifat optik unik FPP tidak menjadikannya lensa yang baik dalam pengertian tradisional: imej akan sangat kabur kerana pencampuran cahaya dari piksel tetangga. Penyimpangan sedemikian akan memerlukan kaedah moden pembinaan semula imej, yang pada akhirnya akan membolehkan untuk memulihkan imej bumi ekso dengan ketepatan yang tinggi.

Pada masa ini, tidak ada projek untuk membina imej multi-pixel exoplanet. Objektif ruang yang paling bercita-cita tinggi, yang direka khas untuk kajian exoplanet, menganggap pendaftaran cahaya dari objek tersebut dalam bentuk hanya satu piksel.Teleskop angkasa tiga meter yang dirancang tidak dapat mengesan ekso-Earth pada jarak hanya 30 tahun cahaya, belum lagi 100 tahun cahaya.

Sebarang konsep pengimejan exoplanet juga harus mempertimbangkan gangguan dari bintang induknya. Untuk menyelesaikan masalah ini, adalah dicadangkan untuk menggunakan cara menghalang cahaya bintang, termasuk coronagraphs kontras yang tinggi, skrin bintang kompleks atau zeroing interferometric. Tetapi dalam kes FPP, yang mempunyai resolusi sudut yang tinggi, bintang induk akan sepenuhnya terpisah dari exo-Earth pada satah imej. Malah, cahaya yang dipertingkatkan itu akan berada pada jarak 16 ribu km dari paksi optik, yang akan menyebabkan masalah cahaya parasit bintang ibu bapa dapat diabaikan.

Kapasiti mengumpul teleskop dalam FPP ditentukan oleh kawasan cincin Einstein dengan ketebalan diameter diameter teleskop, dan resolusinya berkadar dengan nisbah panjang gelombang pemerhatian ke diameter Matahari. Apabila membina imej bumi ekso yang terletak pada jarak 100 tahun cahaya, teleskop optik terbaik dibandingkan dengan kualiti dengan teleskop pada garis fokus FPP pada jarak 650 a. e. dari Matahari, harus mempunyai diameter 75 km.Tetapi teleskop yang begitu besar seperti itu tidak dapat dilihat cakera planet ini – untuk mendapatkan imej cakera objek sedemikian dengan seribu piksel, sebuah teleskop dengan diameter kira-kira 75 ribu km diperlukan, yang hampir mustahil. Ia juga mustahil untuk membina sebuah sistem dengan beberapa teleskop (interferometer optik) saiz ini – menggunakan teknologi semasa atau yang munasabah dapat diramalkan untuk masa terdekat. Tetapi jika mungkin, gangguan dari habuk antara bintang yang ada di antara planet dan teleskop akan memaksa lebih daripada sepuluh juta tahun untuk mengumpulkan cukup cahaya yang diperlukan untuk membentuk imej bumi ekso. Teleskop 1 meter yang agak sederhana dalam fokus SFS akan melaksanakan tugas ini dalam beberapa minggu.

Oleh itu, misi ke FPP membuka peluang yang menarik untuk mendapatkan imej langsung dari exo-Earth dengan resolusi 1000 × 1000 piksel dan menjalankan kajian spektroskopi atmosferanya. Bagi planet pada jarak 100 tahun cahaya, ini sepadan dengan resolusi 10 km di permukaannya dan memperoleh kepekaan spektroskopi sebanyak 1 juta hanya dalam satu saat pengumpulan isyarat, yang akan membolehkan mengesan tanda-tanda kebolehgunaan.

Kelemahan praktikal teleskop dalam FPP adalah sedemikian rupa sehingga praktikal tidak praktikal untuk mengalihkannya ke objek kajian lain. Oleh itu, pilihan exoplanet perlu dibuktikan dengan baik dan pemahaman yang tepat mengenai apa yang anda perlu tahu tentang exoplanet (tempoh putarannya, kehadiran awan dan ketumpatan penutup awan, dll) akan membolehkan anda menentukan sumber yang diperlukan di kapal angkasa.

Untuk mencapai jarak lebih dari 550 a. Dengan aparatus kelas Voyager, konsep teleskop di SFS akan menggunakan rentang dan manuver graviti dalam bidang Musytari, dan kemudian rentang di sekeliling Matahari dengan pecutan tambahan dari sistem pendorong di papan yang paling dekat dengan Matahari lintasan. Kami mempertimbangkan kemungkinan menggunakan enjin kimia moden menggunakan teknologi perisai termal pada jarak kira-kira tiga radii solar dari matahari. Alternatifnya ialah layar solar, dengan bantuan yang mana ia dapat memperoleh halaju tinggi dari berlepas dari sistem suria sepanjang trajektori yang mengangkut kapal angkasa pada penyebaran 0.1 a. e Dari Matahari, yang mungkin memerlukan penciptaan teknologi baru dalam penciptaan layar. Mana-mana pilihan akan memberi peluang untuk mencapai kelajuan keluar dari Sistem Suria 17-22 a. e.setiap tahun dan mencapai sasaran selama 25-30 tahun.

Untuk membuat imej megapiksel, anda perlu mengumpul piksel imej dengan piksel, bergerak dalam satah imej dengan kenaikan 1.5 meter. Ligan kabel kedua-dua peranti ini boleh digunakan untuk pengimbasan raster. Pergerakan relatif antara Matahari dan bintang ibu bapa dapat diambil kira ketika membentuk trajektori, tetapi gerakan orbit planet dan ciri putarannya masih perlu dipertimbangkan. Jika ia sama dengan bumi, di kawasan tumpuan FPP pada jarak 750 a. e. Dari Matahari, imejnya akan bergerak dengan cara yang boleh diramalkan pada jarak sejauh 35 ribu km dalam satah imej dengan tempoh satu tahun, dan kemudian enjin onboard akan diperlukan untuk mengesan imej. Enjin sedemikian sudah wujud dan sesuai untuk tugas sedemikian.

Secara teorinya, pelancaran kapal angkasa ke lensa suria dan kawalannya agak mungkin, tetapi aspek teknikal mewujudkan teleskop astronomi seperti itu belum pernah dipertimbangkan sebelumnya. Kemajuan terkini dalam pembangunan nanosatellites dan kapal angkasa kecil telah menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk praktikal mempertimbangkan misi ke atas jarak yang sebelumnya melebihi keupayaan teknologi manusia.Pengiraan kami menunjukkan bahawa kapal angkasa akan dapat terbang di sepanjang garis tumpuan dan membina imej exoplanet dengan resolusi beberapa kilometer.

Meskipun terdapat kesulitan yang jelas, misi seperti itu dapat memberikan satu kejayaan dalam kajian planet-planet yang boleh dihuni – selama beberapa dekad, dan mungkin satu abad sebelum mereka dikunjungi oleh kapal angkasa.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: