Astrofizycy z Uniwersytet Stanforda zaproponowali nowy sposób wykorzystania soczewkowania grawitacyjnego. Wykorzystując Słońce jako soczewkę, można by stworzyć teleskop nawet 1000 razy bardziej precyzyjny niż najlepsze obecnie stosowane technologie obrazowania.
Astronomowie wykryli do tej pory ponad 5000 planet krążących wokół innych gwiazd niż Słońce. Jednak gdy dojdzie do odkrycia nowej egzoplanety, naukowcy niewiele mogą o niej powiedzieć, poza tym, że istnieje. Przeważnie podczas badań uczeni uzyskują jedynie kilka cech nowo odkrytego obiektu, reszta pozostaje w sferze spekulacji. Wszystko przez odległości we Wszechświecie. Obecnie stosowane technologie nie potrafią precyzyjnie obrazować odległych obiektów.
Aby ominąć te ograniczenia, astrofizycy z Uniwersytetu Stanforda pracowali nad nową techniką obrazowania, która byłaby 1000 razy dokładniejsza niż najlepsze obecnie stosowane technologie. Wykorzystując wypaczający wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, zwany soczewkowaniem grawitacyjnym, naukowcy mogliby potencjalnie manipulować tym zjawiskiem, aby stworzyć znacznie bardziej zaawansowane i precyzyjne obrazowanie.
W artykule opublikowanym w „The Astrophysical Journal” (DOI: 10.3847/1538-4357/ac5e9d) naukowcy opisują sposób, w jaki można manipulować zjawiskiem soczewkowa grawitacyjnego. Wykorzystując Słońce w roli soczewki, można by obserwować planety pozasłoneczne z niewiarygodną rozdzielczością. Ustawiając teleskop, Słońce i egzoplanetę w jednej linii (ze Słońcem pośrodku), można wykorzystać pole grawitacyjne Słońca jako lupę do wzmocnienia odległego światła i lepszego obrazowania.
Soczewkowanie to zjawisko, które można porównać do szkła powiększającego. Grawitacja wypacza czasoprzestrzeń. Im gęstszy obiekt, tym silniejsza jest jego siła grawitacyjna, która może działać jak soczewka, powiększając i zniekształcając znajdujące się za nim źródło światła. Zjawisko soczewkowania grawitacyjnego jest bardzo rzadkie i zachodzi, gdy światło z odległego źródła uginane jest przez bliższy obiekt zwany soczewką. Masa soczewki zakrzywia przestrzeń wokół niej, co powoduje ugięcie promieni świetlnych, w efekcie czego można zaobserwować pojaśnienie źródła.
Innymi słowy, do soczewkowania grawitacyjnego dochodzi wtedy, gdy grawitacja obiektów zagina i wzmacnia światło z odleglejszych gwiazd w chwili, gdy na jednej linii znajdzie się źródło promieniowania, obiekt soczewkujący oraz obserwator na Ziemi. Jeśli soczewką jest gwiazda, to pojaśnienie trwa od kilku do nawet około stu dni, jeśli zaś soczewką jest planeta – od kilku godzin do paru dni.
Zjawisko soczewkowania grawitacyjnego było już używane do identyfikacji małych, niewyraźnych obiektów, jak planety swobodne, które w innym przypadku mogłyby być zbyt trudne do zauważenia przez nasze teleskopy.
- Chcemy robić zdjęcia planet krążących wokół innych gwiazd, które są tak dobre, jak zdjęcia planet w naszym własnym Układzie Słonecznym – powiedział Bruce Macintosh z Uniwersytet Stanforda. - Mamy nadzieję, że dzięki tej technologii będzie można zrobić zdjęcie planety odległej o 100 lat świetlnych, które będzie miało taki sam wpływ na astronomię, jak zdjęcie Ziemi z misji Apollo 8 – dodał.
Proponowane przez astrofizyków rozwiązania są obecnie nie do zrealizowania. Taka technologia wymagałaby przede wszystkim bardziej zaawansowanych sposobów podróżowania w przestrzeni kosmicznej, niż jest to obecnie możliwe. Mimo to sama koncepcji i to, co może ona ujawnić na temat innych planet, sprawia, że warto ją dalej rozważać i rozwijać ten pomysł.
Soczewkowanie grawitacyjne nie było doświadczalnie obserwowane aż do 1919 roku. Wtedy to podczas zaćmienia Słońca, gdy Księżyc zasłaniał światło słoneczne, naukowcy byli w stanie zobaczyć gwiazdy w pobliżu Słońca przesunięte względem ich znanych pozycji. Był to jednoznaczny dowód na to, że grawitacja może zaginać światło i pierwszy obserwacyjny dowód na poprawność ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Później, w 1979 roku, Von Eshleman, profesor z Uniwersytetu Stanforda, opublikował szczegółowy opis tego, w jaki sposób astronomowie mogą wykorzystać soczewkę grawitacyjną Słońca. Obecnie uczeni wykorzystują grawitację najbardziej masywnych galaktyk do badania wczesnej ewolucji Wszechświata.
Dr Aleksander Madurowicz z Uniwersytetu Stanforda wraz z Macintoshem opracował nową metodę, dzięki której można dokładnie zrekonstruować powierzchnię planety na podstawie pojedynczego zdjęcia wykonanego w kierunku Słońca. Przechwytując zniekształcone przez Słońce światło egzoplanety, opracowany algorytm wykona pracę wstecz, czyli odkształci światło poprzez odwrócenie wygięcia soczewki grawitacyjnej i dokładnie odwzoruje wygląd planety.
Badacze zademonstrowali swoją technikę wykorzystując obrazy obracającej się Ziemi wykonane przez satelitę DSCOVR, który znajduje się między Ziemią a Słońcem. Następnie użyli modelu komputerowego, aby zobaczyć, jak wyglądałaby Ziemia, gdyby obserwować ją przez wypaczające efekty grawitacji słonecznej. Dzięki zastosowaniu swojego algorytmu uczeni był w stanie odzyskać obrazy Ziemi i udowodnić, że ich obliczenia były prawidłowe.
Aby uchwycić obraz egzoplanety przez słoneczną soczewkę grawitacyjną, teleskop musiałby być umieszczony co najmniej 14 razy dalej od Słońca niż Pluton. Ludzkość tak daleko jeszcze nie wysłała pojazdu kosmicznego.
Obecnie, aby zobrazować egzoplanetę w rozdzielczości opisanej przez naukowców, potrzebowalibyśmy teleskopu 20 razy szerszego niż Ziemia. Jednak przyszły teleskop mógłby wykorzystać Słońce w roli naturalnej soczewki. Teleskop wielkości Hubble'a w połączeniu ze słoneczną soczewką grawitacyjną wystarczyłby do niezwykle dokładnego obrazowania egzoplanet. Byłby zdolny, jak przekonują autorzy publikacji, do uchwycenia drobnych szczegółów na powierzchni planety.
- Słońce w roli soczewki grawitacyjnej otwiera zupełnie nowe okno do obserwacji – powiedział Madurowicz. - Umożliwi to szczegółowe zbadanie dynamiki atmosfer planet, a także rozmieszczenia chmur i cech powierzchni, których teraz nie mamy możliwości zbadać - dodał.
Zarówno Madurowicz, jak i Macintosh twierdzą, że minie co najmniej 50 lat, zanim ta technologia będzie mogła zostać wdrożona, choć najprawdopodobniej trzeba się liczyć z dłuższym oczekiwaniem.
Źródło: Stanford University, fot. Alexander Madurowicz
