Линза по имени Солнце: телескоп на солнечных парусах

Как использовать Солнце в качестве линзы, что позволит увеличить разрешение телескопа в миллиарды раз и как это поможет детально разглядеть неизведанные экзопланеты, разбирался Indicator.Ru.

Солнечный парус, уносящий небольшой зонд прочь из Солнечной системы. Знакомая картина. Только летит он не к ближайшей соседней звезде, Проксиме Центавра, а в противоположном направлении. И зонд массивнее в тысячу раз, и никаких лазеров. Это проект, который предложили Луис Фридман, один из основателей Планетарного сообщества США, и Вячеслав Турышев, сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA, профессор Калифорнийского Технологического Института, МГУ и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. О своем проекте ученые рассказали на заседании Spacenet, поднаправлении «Аэронет» Национальной технологической инициативы (НТИ).

Увеличить в сто миллиардов раз

Искривление лучей звезд в гравитационном поле Солнца было первым экспериментом, который подтвердил правильность теории относительности Эйнштейна. Если все проходящие лучи притягиваются к нашему светилу, то получается, что оно является линзой и можно вычислить фокусное расстояние, на котором параллельные пучки соберутся, формируя увеличенное изображение оригинального объекта. Это так называемый гравитационный радиус Солнца, который находится примерно на расстоянии 550 астрономических единиц. Или 82,3 миллиарда километров, или 76 световых часов.

Для зонда это очень далекое расстояние. Например, Voyager 1, который был запущен 39 лет назад, сейчас находится на расстоянии всего 136 астрономических единиц. Однако в награду за достижение гравитационного фокуса Фридман и его коллега Вячеслав Турышев обещают увеличение в 100 миллиардов раз. То есть объекты, которые будут находиться на продолжении линии зонд — Солнце, будут иметь в тысячу раз более высокую детализацию, чем рассматриваемые нами в существующие и перспективные телескопы. По их расчетам, оптический телескоп в гравитационном фокусе с размером зеркала в один метр будет эквивалентен 80-километровому прибору на Земле. Пока из оптических телескопов нам доступны устройства с зеркалом размером только в десяток метров.

Ученые полагают, что наиболее эффективным для наблюдения будут оптический и ближний инфракрасный диапазон. В гравитационном фокусе Солнца они позволят рассмотреть похожую на Землю планету на расстоянии около 100 световых лет с детализацией в несколько километров. Это позволит получить ее изображение размером порядка 1000х1000 пикселей. Тогда как сейчас экзопланеты обнаруживают в основном косвенными наблюдениями, или они видны как один пиксель на матрице самых лучших телескопов.

Такое разрешение позволит увидеть тип поверхности планеты, очертания континентов и даже свет городов на ночной стороне (конечно, если они там есть). Для этого в кольце Эйнштейна, возникающем вокруг гравитационных линз, придется восстановить исходное изображение. Солнце — неидеальная линза и соседние пикселы рассматриваемого объекта «смешиваются».

Как добраться

Пока возможность путешествия к гравитационному фокусу Солнца исследуется только «на бумаге». Однако внимание NASA к его проработке дает надежду на то, что такое путешествие осуществится в будущем. В отличие от более популярного Breakthrough Starshot, предусматривающего полет к ближайшей известной экзопланете Проксима Центравра b, лететь надо будет в противоположном направлении. Общим остается главный «двигатель» — для набора скорости тоже предлагается использовать солнечный парус. Фридман отдает предпочтение этому способу передвижения в дальних перелетах. Он рассчитывает, что зонд массой в десятки килограммов должен будет достигнуть Юпитера, совершить гравитационный маневр, разогнавшись по направлению к Солнцу. Размер паруса составит 50х50 метров для зонда массой 9 кг или 166х166 метров при массе космического аппарата в 100 кг. Пролетев мимо нашего светила на расстоянии 0,1-0,2 астрономической единицы (15—30 миллионов километров), зонд раскроет солнечный парус и наберет скорость, которая позволит достичь точки гравитационного фокуса «в течение жизни одного ученого». В этой точке формируется зеркало телескопа, примерно метрового радиуса, а сигнал передается на Землю в лазерном луче.

Одной из особенностей гравитационного фокуса является то, что он, по утверждению ученого, неточечный. Можно будет получать увеличенное изображение, продолжая удаляться по линии, проходящей через экзопланету и Солнце. Это снимает необходимость нести на зонде большое количество топлива для торможения.

Сложности реализации

Меньшие расстояния, большая масса зонда, отсутствие необходимости в создании сети гигаваттных лазеров делают проект более простым в осуществлении. Однако и по его внедрению есть вопросы, и не только финансовые.

Например, предстоит разработать систему для приема лазерного сообщения на таком расстоянии. Лазер выбран из-за возможности передавать мегабиты информации, в отличии от килобитов, получаемых в радиодиапазоне аппарата Voyager. Искажения в изображение далекой экзопланеты внесет межзвездная среда и, в большей мере, солнечная корона. Но Фридман считает, что их можно будет учесть. При этом стоит иметь два-три зонда одновременно, чтобы уменьшить количество шумов на получающемся изображении.

Небольшая масса зонда не позволит запасти топливо для бокового передвижения, чтобы сохранить планеты в фокусе — это должна позволить изначальная траектория. Отвечая на вопросы, ученые также усомнились в идее сбора межзвездной пыли для питания аппарата. Они отметили, что реальнее было бы использовать элементарные частицы, но и для них собирающая конструкция оказывается неоправданно громоздкой.

По мнению Фридмана, такой проект мог бы служить подготовкой к межзвездному, отработкой необходимых технологий. У Планетарного сообщества США есть опыт создания спутников с солнечными парусами на средства, собранные краудфандингом. Однако пока не получается полноценно проверить их в действии. В 2001 и 2005 году конверсионные ракеты-носители «Волна» не вышли на расчетную орбиту, спутники были потеряны. В 2015 году зонд LightSail наконец добрался до космоса, но связь с аппаратом установить не удалось. Так что практический опыт пока не накоплен. Возможно, опубликованный в 2015 году проект Фридмана и Турышева по полету к солнечному гравитационному фокусу найдет более внушительное финансирование и позволит решить инженерные проблемы, чтобы рассмотреть соседние экзопланеты.

Теоретический маршрут

Indicator.Ru связался с Вячеславом Турышевым и узнал, на какой стадии сейчас находится проект, а также попросил предположить параметры будущей экспедиции к Солнцу. Ученый пообещал вскоре обновить документ KISS (Keck Institute for Space Studies, Институт космических исследований имени Кека, совместная организация Калтеха и NASA, — прим. Indicator.Ru) по этому проекту, а пока спрогнозировал основные параметры миссии. Он особо отметил, что физические законы не запрещают проделать полет уже сейчас, но его инженерная реализация сложна и потребует значительных усилий.

Двигателем может служить как солнечный парус, так и электрореактивный двигатель (ЭРД). Причем Турышев считает, что парус не самый лучший вариант. «Учитывая массу зонда, включающего метровый телескоп, нам понадобится что-то потяжелее "Протона". Например, готовящаяся SLS (Space Launch System, проектируемая тяжелая ракета-носитель NASA, выводящая на околоземную орбиту 70—130 тонн полезной массы; ее создание планируется к 2028 году, — прим. Indicator.Ru). Она сможет доставить зонд до Юпитера примерно за год, после гравитационного маневра еще год-полтора уйдет на приближение к Солнцу, а там раскрывшийся парус или электрический двигатель разгонит зонд до скорости порядка 30 астрономических единиц в год», — описывает ученый текущие детали проекта.

Путь от Солнца к точке гравитационного радиуса займет около 30-40 лет при имеющихся технологиях и вдвое меньше, если удастся реализовать свежие идеи. При этом телескоп на линии гравитационного фокуса Солнца (а это линия, а не точка из-за неидеальности линзы) позволит рассматривать космические объекты на расстоянии до 100 световых лет. Отправка зондов ракетой-носителем системы SLS до скоростей в 13 астрономических единиц в год позволит также исследовать межзвездное пространство.

Вопросы создания лазера для зонда и принимающей станции Турышев считает сложными, но выполнимыми. А задачу учета помех солнечной короны и учета смешения соседних пикселов из-за неидеальности линзы еще и интересной для теоретиков.

В заключение ученый еще раз подчеркнул, что простота найденного решения кажущаяся, а инженерная реализация сложна. Необходимо гарантировать работу зонда на протяжении десятков лет, разработать системы управления и связи на огромных расстояниях, а также создать материалы, которые позволят реализовать парус с нужными характеристиками или ЭРД должной мощности.

Автор — Александр Баулин