Den dristige plan om at se kontinenter og oceaner på en anden Jord

Hvad hvis vi kunne tage et billede af en jordlignende planet omkring en anden stjerne, der var skarp nok til at se kontinenter, oceaner, og skyer?

Lige nu, det er umuligt. Fra vores udsigtspunkt, exoplaneter - planeter, der kredser om andre stjerner - ligner ildfluer ved siden af ​​spotlights. På de få billeder, vi har formået at tage af dem, exoplaneterne er blot prikker. Selv når den næste generation af rumteleskoper kommer online, dette vil ikke ændre sig – du skal bruge et 90 kilometer bredt teleskop for at se overfladetræk på en planet 100 lysår væk.

En gruppe forskere har en dristig plan for at overvinde disse vanskeligheder. Det indebærer at bruge solar sejl-rumfartøjer - muligvis en hel flåde af dem - til at flyve hurtigere og længere væk fra Jorden end nogen tidligere rumsonde, Vend om, og bruge vores fjerne Sols tyngdekraft som et kæmpe forstørrelsesglas. Hvis det virker, vi tager et billede af en exoplanet så skarp, at vi kan se træk kun 10 kilometer på tværs.

Projektet, kaldet Solar Gravity Lens, eller SGL, lyder som noget lige ud af science fiction. NASA og en samling af universiteter, luftfartsselskaber og andre organisationer er involveret, samt Planetary Society medstifter Lou Friedman, den originale solsejladsguru.

"Jeg er altid spændt på at prøve at få noget til at ske, som ikke kan ske på nogen anden måde, sagde Friedman, en konsulent for SGL-projektet, der ledede en NASA-indsats i 1970'erne for at sende et solsejl-rumfartøj til Halley's Comet. "Hele grunden til, at vi startede med solsejlads hos The Planetary Society, var, fordi det gav os mulighed for at tage de første skridt mod interstellar udforskning. Vores LightSail fungerede rigtig godt, og dens succes giver selvtillid og troværdighed til ideen om at sejle gennem solsystemet."

Planen har mange forhindringer, men udbyttet ville være utroligt, sagde Slava Turyshev, en fysiker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, der står i spidsen for Solar Gravity Lens-projektet.

"Inden for vores solenergikvarter, som vi klassificerer som inden for 100 lysår, vi har identificeret adskillige exoplaneter, som kan være i deres stjernes beboelige zone, " sagde Turyshev, med henvisning til det ikke alt for varme, ikke for koldt område omkring en stjerne, hvori flydende vand kunne eksistere. "Og så nu har vi spørgsmålet, hvad ville vi gøre, hvis vi fandt noget, der indikerer tilstedeværelsen af ​​liv på en exoplanet? Kunne vi rejse dertil, eller i det mindste se det?"

Hvordan det virker

Albert Einstein forudsagde for over et århundrede siden ideen om, at tyngdekraften kan bøje og forstørre lys, et koncept kendt som gravitationslinser. Fra en iagttagers synspunkt, lys fra et fjernt objekt, der passerer tæt på et massivt forgrundsobjekt, bliver forvrænget og forstørret, forudsat at observatøren er på det rigtige sted, kendt som omdrejningspunktet. Det ligner den måde, du kan fokusere på et kamera ved at finde den rigtige afstand fra dit mål, i stedet for at justere kameraets fokus.

Hubble-rumteleskopet og andre observatorier har set dette fænomen:tjuskede buer og ringe fra fjerne galakser, forvrænget og forstørret af tyngdekraften fra tættere galakser.

Forskerne bag SGL-projektet siger, at vi kan gøre det samme for exoplaneter - vi skal bare rejse til fokuspunktet. For en exoplanet 100 lysår væk, brændpunktet er 97 milliarder kilometer (60 milliarder miles) væk – 16 gange længere fra Solen end Pluto. Voyager 1, som har vovet sig længere ud i rummet end nogen anden menneskeskabt genstand, har kun rejst omkring 20 milliarder kilometer (13 milliarder miles), og det tog rumfartøjet 40 år at nå dertil.

Løsningen på at komme hurtigere dertil? Solsejlads.

Solsejl fanger lysets momentum fra Solen og bruger det momentum som fremdrift. Ved at bruge denne teknologi, et SGL-rumfartøj ville flyve tæt på Solen, tage fart og kaste sig mod de ydre rækker af vores solsystem, rejsen på kun 25 år.

I stedet for det store, tunge rumfartøjer brugt i fortiden, forskerne forestiller sig små, modstandsdygtige sonder, der kunne fange raketture til rummet med andre missioner for at skære ned på opsendelsesomkostningerne. En mulighed er at bruge sværme af brød på størrelse med CubeSats, ligner LightSail 2, der kunne samles selv for at skabe en større, enkelt optisk system. Hvis rumfartøjerne er billige nok, missioner kunne sendes til fokuspunkterne for flere exoplaneter.

I fokusområdet, lyset fra exoplaneten ville blive smurt ind i en cirkel kendt som en Einstein-ring. Ringen ville indeholde 2 dele. En del ville komme fra en enkelt, 10 x 10 kilometer-del af exoplaneten og giver kun en enkelt pixel i det endelige billede. Delen ville indeholde lys fra resten af ​​exoplaneten. Mens rumfartøjet suser gennem fokusområdet, det ville være nødvendigt at bevæge sig rundt ved hjælp af miniature-ion-thrustere - sollys ville være for svagt til solsejlads på denne afstand - for at ændre den del af exoplaneten, der er i fokus.

Med den rigtige optik, at tage 1 million billeder af ringene fra forskellige steder kan give et billede, der ligner det, der blev taget fra Månen af ​​Apollo 8-astronauterne i 1968, og fange overfladefunktioner så små som 10 kilometer på tværs.

Er det muligt?

De teknologiske udfordringer for SGL er skræmmende, mildest talt. Til at begynde med, der er spørgsmålet om præcis navigation, kommunikation over lange afstande, og behovet for et solsejl for at forhindre vores eget sollys i at trænge ind i teleskopet. En koronagraf ville også være påkrævet for at blokere lyset fra exoplanetforælderens stjerne.

NASA tror på konceptet nok til for nylig at have tildelt det et 2 millioner dollars tilskud fra dets NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) program. NIAC, som har eksisteret siden 1998, giver startpenge til at hjælpe innovative ideer med at komme ud af tegnebrættet. SGL er blot det tredje studie i programmets historie, der når projektets tredje fase.

Projektets succes kan være i dets mangfoldige team, en unik tilgang til NIAC-projekter. Samarbejdet omfatter flere forskere fra JPL og flere universiteter, inklusive UCLA, University of Arizona, og Wesleyan University. Rumvirksomheder The Aerospace Corporation og NXTRAC Inc. er involveret, som begge har specialiseret sig i missionsdesign og tekniske analyser. Denne multi-organisatoriske indsats samler de seneste teknologiske innovationer, såsom banebrydende teknologier i solsejl, kunstig intelligens, nanosatellitter, og formationsflyvning.

"En mission som SGL kan føre til en transformation i, hvordan vi udforsker rummet, sagde Thomas Heinsheimer, den tekniske co-lead for SGLF-missionen fra partnering Aerospace Corporation, "fra det store dyre rumfartøj, der har tjent os godt i fortiden, til sværme af små fartøjer, arbejde sammen, at gøre nye opdagelser langt fra Jorden. SGL skaber en udforskningsarkitektur for mange rumfarende organisationer til at arbejde sammen om at besvare et inspirerende spørgsmål:"Er vi alene i universet?"

Turyshev føler, at den nuværende generation måske er i stand til at besvare dette spørgsmål, med SGL, der tjener som et 'fokuspunkt' for at hjælpe med at transformere rumindustrien til en mere samarbejdsvillig virksomhed.

"SGL kan give det punkt for flere teknologibestræbelser for virkelig at trække os fremad for at tage det første skridt uden for solsystemet, " sagde han. "De nødvendige teknologier eksisterer allerede, men udfordringen er, hvordan man kan bruge den teknologi, hvordan man kan fremskynde deres udvikling, og så hvordan man bedst bruger dem. Jeg tror, ​​vi er ved begyndelsen af ​​en spændende periode i rumindustrien, hvor det ville være praktisk at komme til SGL, og videnskabeligt spændende."