Ο Ήλιος μας θα μπορούσε κάποια μέρα να αποκαλύψει τις επιφάνειες των εξωγήινων γαιών
Τώρα γνωρίζουμε περισσότερους από 5.000 εξωπλανήτες πέρα από το ηλιακό σύστημα. Αυτό που καταλαβαίνουμε πραγματικά για καθέναν από αυτούς τους κόσμους, ωστόσο, δεν είναι σχεδόν τίποτα απολύτως. Τα περισσότερα από αυτά έχουν δει μόνο έμμεσα από τις σκιές τους καθώς περνούν μπροστά από τα αστέρια που περιφέρονται. Οι λίγες που οι ερευνητές κατάφεραν να τραβήξουν πραγματικά μια φωτογραφία -δηλαδή, να απεικονίσουν απευθείας χρησιμοποιώντας φως που εκπέμπεται από τους ίδιους τους πλανήτες- φαίνονται σαν μονόχρωμες κουκκίδες ακόμα και με τα καλύτερα σημερινά τηλεσκόπια. Και μέχρι στιγμής όλοι αυτοί οι κόσμοι που απεικονίζονται απευθείας είναι από τους πιο φωτεινούς, μεγαλύτερους και λιγότερο όμοιους με τη Γη εξωπλανήτες που είναι γνωστοί.
Το μακρινό μέλλον μπορεί να είναι διαφορετικό θέμα. Πόσο λεπτομερής θα μπορούσε να είναι μια εικόνα ενός μακρινού εξωπλανήτη—ειδικά ενός που είναι μικρός και βραχώδης όπως η Γη; Η απάντηση είναι ότι κάποια μέρα οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να λάβουν εικόνες που αποκαλύπτουν ηπείρους, σύννεφα, ωκεανούς, καλύμματα πάγου και ακόμη και βλάστηση σε κάποιον απομακρυσμένο κόσμο που μοιάζει με τη Γη που περιστρέφεται γύρω από ένα εξωγήινο αστέρι.
Το πρόβλημα είναι ότι το πιο ισχυρό τηλεσκόπιο για αυτήν την εργασία δεν μπορεί να κατασκευαστεί - όχι ακριβώς, ούτως ή άλλως. Αντίθετα, πρέπει να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας τις αρχές της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν για να μετατρέψει τον ήλιο μας σε μεγεθυντικό φακό μεγέθους αστεριού. Η βασική ιδέα του Άλμπερτ Αϊνστάιν - ότι η βαρύτητα μπορεί να γίνει κατανοητή ως η καμπυλότητα του χωροχρόνου - σημαίνει ότι τα αστέρια και άλλα τεράστια αντικείμενα λειτουργούν ως φυσικοί «βαρυτικοί φακοί» που παραμορφώνουν και ενισχύουν το φως από τα αντικείμενα του φόντου.
Οι αστρονόμοι σήμερα χρησιμοποιούν συνήθως γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών ως βαρυτικούς φακούς, αλλά η προοπτική χρήσης αυτής της τεχνικής για τον ήλιο μας θέτει τόσες πολλές προκλήσεις που λίγοι ερευνητές την έχουν πάρει στα σοβαρά. Πιο συγκεκριμένα, η προσέγγιση απαιτεί την ακριβή τοποθέτηση ενός συμβατικού τηλεσκοπίου -κάτι σαν το Hubble, για παράδειγμα- στο σημείο όπου εστιάζει το ενισχυμένο με φακό φως οποιουδήποτε στόχου. Για τον ήλιο, αυτά τα εστιακά σημεία βρίσκονται στις ακραίες παρυφές του ηλιακού συστήματος—τουλάχιστον 14 φορές πιο μακριά από τον Πλούτωνα.
Τώρα μια νέα μελέτη από αστρονόμους στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ δείχνει ότι θα μπορούσε να υπάρξει μια απλοποιητική συντόμευση για το ακόμη επίπονο έργο της απεικόνισης εξωπλανητών χρησιμοποιώντας τον ήλιο μας ως κοσμικό τηλεσκόπιο. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Astrophysical Journal , υποδηλώνει ότι οι αστρονόμοι θα μπορούσαν τελικά να επιτύχουν απεικόνιση εξωπλανητών με ανάλυση 1.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή του τηλεσκοπίου Event Horizon, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί για τη λήψη των ιστορικών πρώτων εικόνων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών. «Είναι ωραίο να το θεωρούμε ως το απόλυτο τελικό παιχνίδι της διαδικασίας μελέτης εξωπλανητών», λέει ο αστροφυσικός του Στάνφορντ, Μπρους Μακίντος, ο οποίος συνέγραψε την εργασία, «ή τουλάχιστον ως το τελικό παιχνίδι που δεν τους επισκέφτηκε πραγματικά».
Ο Alex Madurowicz, συν-συγγραφέας και μεταπτυχιακός φοιτητής του Macintosh, τροφοδότησε για πρώτη φορά πραγματικές δορυφορικές εικόνες της Γης σε ένα μοντέλο υπολογιστή που μείωσε τον κόσμο μας στο πώς θα μπορούσε να φαίνεται αν τον έβλεπαν από μακριά μέσα από έναν αστρικό βαρυτικό φακό. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η εικόνα που θα προέκυπτε θα ήταν ένας «δακτύλιος του Αϊνστάιν»—ένα παραμορφωμένο, κυκλικό επίχρισμα που παράγεται από το φως του πλανήτη που καμπυλώνεται γύρω από το άστρο φακού. Προηγούμενη εργασία ενός άλλου ερευνητή, του Slava Turyshev από το nasa Jet Propulsion Laboratory, είχε δείξει ότι η διόρθωση αυτών των παραμορφώσεων θα απαιτούσε μεθοδική μετακίνηση ενός συμβατικού τηλεσκοπίου συλλογής φωτός μπρος-πίσω εντός της εστιακής περιοχής στην άκρη του ηλιακού συστήματος. Η προκύπτουσα σάρωση pixel προς pixel της στρεβλωμένης προβολής του πλανήτη, που κατά κάποιο τρόπο χορογραφείται από τη Γη σε απόσταση 80 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων, θα μπορούσε να διαρκέσει χιλιάδες ώρες και να καταναλώσει τεράστιες ποσότητες καυσίμου.
Οι Madurowicz και Macintosh συνειδητοποίησαν ότι αυτός ο σκληρός λογισμός θα μπορούσε να αλλάξει, ωστόσο, δεδομένου ότι ο ήλιος είναι ελαφρώς επιμήκης και όχι απόλυτα σφαιρικός. Αυτή η μικρή λεπτομέρεια σημαίνει ότι εάν ο εξωπλανήτης στόχος ευθυγραμμίζεται τέλεια με τον ισημερινό του ήλιου όπως φαίνεται από το τηλεσκόπιο εστιακής περιοχής, το προϊόν δεν είναι ένας δακτύλιος του Αϊνστάιν αλλά ένας «σταυρός» - τέσσερα ασύμμετρα αντίγραφα του πλανήτη γύρω από την περίμετρο του ήλιου. Ο Madurowicz διαπίστωσε ότι εάν αξιοποιηθεί αυτή η ασυμμετρία, η διαδικασία σάρωσης για την ανακατασκευή της μη παραμορφωμένης εικόνας ενός εξωπλανήτη στόχου μπορεί να εξαλειφθεί. «Δεν χρειάζεται να μετακινήσετε [το τηλεσκόπιό σας] μέσα στην εικόνα», λέει. "Μπορείτε απλώς να μείνετε σε ένα σημείο."
Ο Turyshev, ο οποίος δεν ήταν μέρος αυτής της τελευταίας μελέτης, είναι δύσπιστος ότι η επίπονη διαδικασία σάρωσης που περιέγραψε για πρώτη φορά μπορεί πραγματικά να εξαλειφθεί. Η εξιδανικευμένη τεχνική για την αναδόμηση της εικόνας που προτείνουν οι Macintosh και Madurowicz, λέει, θα έπρεπε να ξεπεράσει πιθανές παρεμβολές που προκύπτουν από τη φωτεινότητα του ήλιου μας και την εξωτερική του ατμόσφαιρα που βράζει, γνωστή ως στέμμα. «Θα ήταν ωραίο αν ο ήλιος ήταν απλώς σκοτεινός, σωστά;» λέει ο Turyshev. Αλλά δεν είναι, φυσικά, και ακόμη και ο καλύτερος εξοπλισμός δεν θα μπορούσε να εμποδίσει πλήρως ένα κλάσμα του φωτός του να εισέλθει σε ένα τηλεσκόπιο, ειδικά σε ένα τηλεσκόπιο που κοιτάζει απευθείας το άστρο μας. "Το χαρτί τους είναι υπέροχο, αλλά είναι μια θεωρία", προσθέτει.
Ακόμα κι αν η διαδικασία σάρωσης μπορούσε να εξαλειφθεί, υπάρχουν και άλλοι περιορισμοί που πρέπει να λάβετε υπόψη. Κάθε εξωπλανήτης που στοχεύεται για ηλιακό βαρυτικό φακό θα απαιτούσε πιθανώς το δικό του αποκλειστικό διαστημικό τηλεσκόπιο τύπου Hubble να σταλεί και να λειτουργεί στα εξωτερικά όρια του ηλιακού συστήματος. Για παράδειγμα, για να απεικονίσει ένα τέτοιο παρατηρητήριο έναν δεύτερο εξωπλανήτη σε απόσταση μόλις 10 μοιρών από τον αρχικό του στόχο, θα χρειαστεί να μετατοπίσει τη θέση του γύρω από τον ήλιο κατά περισσότερα από 14 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα. «Για να χρησιμοποιήσετε έναν ηλιακό βαρυτικό φακό, πρέπει να παρατάξετε το τηλεσκόπιο, τον ήλιο και τον πλανήτη με εξαιρετική ακρίβεια», λέει ο Madurowicz. Δεν θα υπήρχε τρόπος για ένα μόνο τηλεσκόπιο να απεικονίσει περισσότερους από έναν πλανήτες, ή ένα αστρικό σύστημα με πολλούς ενδιαφέροντες κόσμους, ταυτόχρονα.
Αυτός ο περιορισμός είναι ο λόγος που ο Jean Schneider, αστρονόμος στο Αστεροσκοπείο του Παρισιού, στρέφει το βλέμμα του σε μια διαφορετική, ίσως πιο εφικτή εναλλακτική λύση αντί του ηλιακού βαρυτικού φακού:ένα υπερτηλεσκόπιο. Αυτή η ευρεία ιδέα οραματίζεται την ανίχνευση επιφανειακών χαρακτηριστικών εξωπλανητών μέσω της χρήσης διαστημικών στόλων πολλών κατόπτρων κλίμακας μέτρων που πετούν σε σχηματισμό για τη δημιουργία εικονικών τηλεσκοπίων μεγαλύτερα από οποιοδήποτε άλλο θα μπορούσε ποτέ να είναι. Ο Schneider συμφωνεί ότι οι άμεσες εικόνες πιθανής εξωγήινης βλάστησης θα ήταν «πολύτιμες» και θα παρείχαν πληροφορίες που δεν είναι διαθέσιμες μέσω οποιασδήποτε άλλης γνωστής μεθόδου απομακρυσμένης παρατήρησης.
Ο Aki Roberge, αστροφυσικός στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA, επισημαίνει ότι οι αστρονόμοι δεν γνωρίζουν καν αν υπάρχει άλλος κόσμος σαν τον δικό μας εκεί έξω - «όχι μόνο στο μέγεθος της Γης», λέει, «αλλά τη Γη- όπως, με τους ωκεανούς, τις ηπείρους, μια ατμόσφαιρα και μια βιόσφαιρα». Και η άμεση απεικόνιση, φαίνεται, είναι ο μόνος τρόπος για να το ανακαλύψετε πραγματικά.
Ένα προτεινόμενο παρατηρητήριο που προτείνεται στην έκθεση των Εθνικών Ακαδημιών Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής Μονοπάτια προς την Ανακάλυψη στην Αστρονομία και την Αστροφυσική για τη δεκαετία του 2020, αλλιώς γνωστή ως Astro2020 Decadal Survey, μπορεί να προσφέρει την καλύτερη βραχυπρόθεσμη ελπίδα να δώσει στη Roberge και στους συνομηλίκους της τις απαντήσεις που χρειάζονται. Η έρευνα χρησιμεύει ως ένας οδικός χάρτης μια φορά τη δεκαετία που καθοδηγεί την αστρονομία των ΗΠΑ. Και στην κορυφή του τελευταίου του οδικού χάρτη είναι μια ιδέα για ένα διαστημικό τηλεσκόπιο με καθρέφτη πλάτους άνω των έξι μέτρων, κάτι σαν ένα «σούπερ Hubble» ρυθμισμένο για τη συλλογή οπτικού, υπέρυθρου και υπεριώδους φωτός που προορίζεται για εκτόξευση στις αρχές της δεκαετίας του 2040.
Σύμφωνα με τις συστάσεις του Astro2020, μία από τις βασικές δυνατότητες ενός τέτοιου τηλεσκοπίου θα ήταν η άμεση απεικόνιση μιας ποικιλίας εξωπλανητών με βασικό στόχο τη μελέτη της ατμόσφαιράς τους για να γίνουν καλύτερες εικασίες για τις περιβαλλοντικές τους συνθήκες. Από εκεί, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να καθορίσουν εάν οι χημικές ανάγκες ή τα υποπροϊόντα της ζωής όπως τη γνωρίζουμε - νερό, οργανικές ενώσεις, ελεύθερο οξυγόνο κ.λπ. - υπάρχουν σε οποιονδήποτε από τους στοχευόμενους κόσμους. Οι ασαφείς σταγόνες που θα μπορούσαν να απεικονιστούν από αυτό το προτεινόμενο τηλεσκόπιο θα μπορούσαν να είναι το πρώτο μικρό βήμα προς την αληθινή γνώση της δυνατότητας ενός εξωπλανήτη να φιλοξενεί ζωή. Μόνο μετά από μια τέτοια αποστολή, λένε οι περισσότεροι αστρονόμοι, θα μπορούσαμε να κάνουμε το γιγάντιο άλμα της κατασκευής ενός υπερτηλεσκοπίου ή της εκμετάλλευσης του ηλιακού βαρυτικού φακού για να λάβουμε λεπτομερείς επιφανειακές εικόνες. «Έχουμε μια πορεία προς τη δεκαετία του 2040. Μετά από αυτό, είναι η Άγρια Δύση», λέει ο Roberge.
Παρά την μακρινή φύση του ηλιακού βαρυτικού φακού, οι Turyshev, Macintosh και Madurowicz έχουν ένα μυαλό:να σκεφτόμαστε τώρα τις δυνατότητές του αξίζει τον κόπο. Ήδη η πρόοδος στα ηλιακά πανιά και άλλες μη συμβατικές τεχνολογίες πρόωσης προσφέρουν τη δυνατότητα επιτάχυνσης του απαιτούμενου ταξιδιού προς τα εξώτατα όρια του ηλιακού συστήματος. Οι προκλήσεις παραμένουν τρομακτικές, αλλά η χρήση του αστεριού μας ως το απόλυτο τηλεσκόπιο μπορεί να είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα από ό,τι υποψιάζεται κανείς τώρα. Με την πρόβλεψη των θεωρητικών και πρακτικών ορίων της προσέγγισης, πότε —ή εάν— βρίσκεται τελικά στην αντίληψή μας, το ερώτημα δεν θα πρέπει να είναι «Μπορούμε να το κάνουμε αυτό;». αλλά μάλλον «Τι πλανήτες πρέπει να απεικονίσουμε;»
