به‌کمک خورشید می‌توان از سطح سیاره‌های فراخورشیدی عکس‌برداری کرد

براساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، گرانش می‌تواند منحنی فضا زمان را تغییر دهد؛ در‌نتیجه مسیر نور بر‌اثر برخورد با میدانی گرانشی تغییر می‌کند. دَه‌ها سال ستاره‌شناسان از این نظریه برای اجرای پروژه‌ی لنز گرانشی (GL) استفاده کردند. بر‌اساس این پروژه، می‌توان از‌طریق جرمی غول‌آسا به منبعی دوردست دست یافت.

دو فیزیک‌دان تئوری در پژوهشی جدید درباره‌ی استفاده از خورشید برای ایجاد لنز گرانشی خورشیدی (SGL) بحث کردند. این تلسکوپ قدرتمند می‌تواند نور را به‌گونه‌ای تقویت کند که امکان تصویربرداری مستقیم از سیاره‌های فراخورشیدی مجاور فراهم شود. بدین‌ترتیب، ستاره‌شناسان می‌توانند از قابلیت سکونت‌پذیری سیاره‌هایی مثل پروکسیما b قبل از ارسال فضاپیما مطمئن شوند.

نتایج پژوهش یادشده اخیرا آنلاین منتشر شده و قرار است در مجله‌ی Physical Review D نیز منتشر شود. محققان این مطالعه ویکتور توث، فیزیک‌دان تئوری و اسلاوا جی توریشف، فیزیک‌دان JPL ناسا هستند که پژوهشگر ارشد (PI) بررسی فاز دوم NIAC با عنوان «تصویربرداری چندپیکسلی مستقیم و طیف‌سنجی سیاره‌ی فراخورشیدی با مأموریت لنز گرانشی خورشیدی» را برعهده دارد.

لنز گرانشی علاوه‌بر‌اینکه زمینه‌ساز پژوهش‌های برجسته‌ای در حوزه‌ی اخترفیزیک است، امکان ثبت تصاویر چشمگیر از جهان را می‌تواند فراهم کند. این تصاویر  پدیده‌هایی مثل «حلقه‌های اینشتین» را دربر می‌گیرند. این حلقه‌ها به نور ناشی از اجرام دوردست گفته می‌شوند که بر‌اثر برخورد با میدان گرانشی بین جرم دوردست و ناظر به‌وجود می‌آیند.

بر‌اساس نوع تراز بین ناظر و منبع دوردست و لنزها، نور منبع می‌تواند به‌شکل کمان یا ضربدر یا شکلی دیگر ظاهر شود. از هر جرم بزرگ می‌توان به‌عنوان لنز گرانشی استفاده کرد؛ اما خورشید مناسب‌ترین موقعیت را برای نجوم GL دارد. برای شروع می‌توان از بزرگ‌ترین جرم منظومه‌ی شمسی به‌عنوان لنزی قدرتمند استفاده کرد. در درجه‌ی دوم، منطقه‌ی کانونی لنز در فاصله‌ی تقریبی ۵۵۰ واحد نجومی از خورشید شروع می‌شود که فاصله‌ای واقع‌گرا برای مأموریت آینده است. منطقه‌ی کانونی شیء بزرگ بعدی (مشتری) در فاصله‌ی بیش از ۲،۴۰۰ واحد نجومی آغاز می‌شود.

به‌طور‌خلاصه، ستاره‌شناسان می‌توانند ترازبندی مناسب با خورشید را برای ایجاد SGL تنظیم و از آن برای رصدهای نجومی مثل رصد سیاره‌های فراخورشیدی مجاور استفاده کنند. تصویربرداری مستقیم در بحث شناسایی سیاره‌های فراخورشیدی یکی از زمینه‌های امیدبخش به‌شمار می‌رود و می‌تواند بررسی‌های آینده‌ی سیاره‌های فراخورشیدی را متحول کند. ستاره‌شناسان با بررسی نوری که مستقیم از جوّ یا سطح سیاره ساطع می‌شود، می‌توانند به طیفی دسترسی پیدا کنند که عناصر تشکیل‌دهنده‌ی جوّ سیاره و حتی پوشش گیاهی آن را آشکار کند.

روش یاد‌شده کمی دشوار است؛ با‌این‌حال، ازآنجاکه تلسکوپ‌های فعلی از وضوح کافی برای تصویربرداری مستقیم از سیاره‌های کوچک‌تر یا سیاره‌های سنگی برخوردار نیستند، اغلب سیاره‌های عکس‌برداری‌شده از نوع غول‌های گازی با مدارهای طویل هستند. توریشف می‌گوید:

برای رصد و تصویربرداری مستقیم از سیاره‌ی فراخورشیدی باید به تلسکوپ‌های بسیار بزرگ دسترسی پیدا کنیم؛ بنابراین، اگر بخواهیم زمین خود را با وضوح یک پیکسل از فاصله‌ی صد سال نوری ببینیم، به تلسکوپی به قطر تقریبی نود کیلومتر نیاز خواهیم داشت. قطر تلسکوپ‌های زمینی آینده (تلسکوپ عظیم اروپا) و تلسکوپ‌های فضایی مثل تلسکوپ جیمز وب به‌ترتیب ۳۹ متر و ۶/۵ متر است. همچنین، قطر طرح‌های مفهومی آینده مثل LUVOIR و HabeX که قرار است جایگزینی برای این ماشین‌های بزرگنمایی باشند، به‌ترتیب ۱۶ و ۲۴ متر خواهند بود.

توریشف معتقد است براساس روند موجود، ساخت تلسکوپ‌های عظیم نودکیلومتری احتمالا در زمان حیات انسان کنونی یا حتی فرزندان و نوادگان او میسر نباشد؛ اما با SGL رصد سیاره‌های فراخورشیدی مجاوز (مثل پروکسیما b و c یا هفت سیاره‌ی سنگی در مدار TRAPPIST-1) در اواسط قرن میسر خواهند شد. توث و توریشف برای بررسی امکان‌پذیری SGL به پژوهش‌های قبلی مراجعه کردند که تعریفی از نظریه‌ی امواج برای SGL را توسعه داده بودند. درنهایت، تصاویر زمین با وضوح ۱۰۲۴ در ۱۰۲۴ پیکسل شبیه‌سازی کردند و آن را در وضعیت اضافه‌شدن نویز (چپ) و پس از بازسازی (راست) نشان دادند.

اگر از خورشید به‌عنوان تلسکوپ لنز گرانشی استفاده کنیم، می‌توانیم به چنین تصویری از سیاره‌ی پروکسیما قنطورس برسیم

تصویر بالا نتیجه‌ی تصویربرداری از زمین در فاصله‌ی مشابه پروکسیما قنطورس (۴/۲۴ سال نوری) با تلسکوپی در موقعیت ۶۵۰ واحد نجومی از خورشید و استفاده از خورشید به‌عنوان لنز است. با نگاهی دقیق‌تر به تصویر می‌توانید پوشش ابری و کنتراست بین توده‌های زمین (در اینجا ایالات متحده‌ و باجا کالیفرنیا و مکزیک) را ببینید. براساس تخمین‌های توث و توریشف، زمان نوردهی مناسب برای رسیدن به چنین جزئیاتی تقریبا یک سال است.

البته پژوهشگران مشکلات پروژه را نیز شناسایی کردند. برای مثال، فاصله‌ی نسبت به منطقه‌ی کانونی مهم‌ترین مسئله است که دقیقا در فاصله‌ی ۸۲/۲۸ میلیارد کیلومتری زمین قرار دارد. این فاصله چهار برابر فاصله‌ی بین زمین و کاوشگر وویجر ۱ است که رکورد دورترین فضاپیمای ساخت دست انسان را ثبت کرده (۱۵۰ واحد نجومی یا ۲۲/۴۴ میلیارد کیلومتر). افزون‌براین، لنزها ممکن است دچار مشکل انحراف و آستیگماتیسم شوند که به تصحیح نیاز دارند. درنهایت، درخشش شدید خورشید قطعا بر نور هر شیء دوردست دیگری غلبه خواهد کرد. توث بیان می‌کند:

رصدها زمان زیادی به‌طول خواهند انجامید؛ چراکه تلسکوپ با پیمایش صفحه‌ای یک‌کیلومتری در منطقه‌ی کانونی می‌تواند یک پیکسل را ببیند و برای هر پیکسل به جمع‌آوری داده‌های کافی و کاهش آثار نویز، به‌ویژه نویز تاج خورشیدی نیاز است. در طول تصویربرداری، حرکت تلسکوپ درمقایسه‌با تصویر باید دقیقا مشخص باشد و ممکن است سیاره‌ی هدف نیز حرکت کند و ظاهرش ازنظر درخشش (ابرها، پوشش گیاهی و...) تغییر کنند. بخشی از این مشکلات را می‌توان به‌عنوان نویز در نظر گرفت و بخشی دیگر با روش بازسازی تصویر هوشمند حل‌شدنی هستند.

خوشبختانه‌ توث و توریشف راه‌حل‌های بالقوه‌ای برای مشکلات مذکور پیشنهاد داده‌اند. برای مثال، در پژوهش مفهومی‌شان بر استفاده از تلسکوپی با آینه‌ی اصلی ۱ متری یا ۲ تا ۲/۵ متری تأکید می‌کنند. با ارسال فضاپیمای تصویربرداری کوچکی که بتواند وضوح را ترکیب کند، می‌توان به این هدف دست پیدا کرد.  برای حل مشکل مزاحمت خورشید، می‌توان به نوعی تاج‌نگار توسعه داد. خوشبختانه براساس تخمین طول کانونی خورشید، تاج‌نگاری به قطر یک متر کافی است. توسعه‌ی این ابزار مستلزم پیشرفت‌های آینده است.

به‌طورکلی، سه سیاره در محدوده‌ی سکونت‌پذیر TRAPPIST-1 قرار دارند که همه قابلیت اقیانوس‌های سطحی را دارند. برای پی‌بردن به ماهیت سیاره‌ها به داده‌های علمی ارزشمندی مثل داده‌های طیف‌سنجی نیاز داریم که آثار شیمیایی مرتبط با حیات را در جوّ سیاره‌ها آشکار کنند. در‌نتیجه در سال‌های آینده، می‌توان به تلسکوپ اختصاصی SGL را توسعه‌ داد که بتوان در‌کنار تلسکوپ‌های نسل آینده، از آن‌ها استفاده کرد. مأموریت‌های آینده تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومان را شامل می‌شود که بر‌اساس دستاوردهای تلسکوپ‌های کپلر و هابل، از‌جمله کشف هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی در منظومه‌های مجاور توسعه یافته‌اند.

در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی جدید را با استفاده از روش‌های غیرمستقیم (طیف‌سنجی گذرا، سرعت اولیه‌ی شعاعی، نجوم، میکرولنز و...) کشف خواهیم کرد. SGL در بررسی این سیاره‌ها به کمک ما خواهد آمد. همچنین، می‌توانیم فضاپیماهایی را به منطقه‌ی کانونی SGL ارسال کنیم تا هدفی ازپیش‌تعیین‌شده را بررسی کند.