Czy możliwe jest stworzenie szczegółowej mapy powierzchni planety oddalonej o dziesiątki lat świetlnych od Ziemi? Najnowsze badania sugerują, że tak – pod warunkiem, że wykorzystamy do tego wyjątkowe zjawisko fizyczne: soczewkowanie grawitacyjne wokół naszej gwiazdy macierzystej. Choć brzmi to jak science fiction, koncepcja ta wydaje się paradoksalnie najbardziej realną z dostępnych opcji.
Zespół naukowców kierowany przez dr. Slavę Turysheva opublikował właśnie na serwerze arXiv analizę, która potwierdza wykonalność budowy teleskopu wykorzystującego soczewkowanie grawitacyjne przy pomocy Słońca (SGL – Solar Gravitational Lens). W opinii autora opracowania, żadne z obecnie proponowanych rozwiązań nie oferuje podobnego potencjału, jeśli chodzi o obserwację planet podobnych do Ziemi.
Soczewka grawitacyjna tego typu działa na zasadzie zakrzywiania światła przez potężne pole grawitacyjne Słońca – zgodnie z ogólną teorią względności. Efekt ten sprawia, że światło z odległej planety zostaje skupione w określonym punkcie przestrzeni, znajdującym się co najmniej 550 jednostek astronomicznych od Słońca (czyli około 82 miliardów kilometrów). Umieszczony tam teleskop mógłby uzyskać obraz planety z niespotykaną dotąd rozdzielczością – nawet 10×10 pikseli dla obiektu oddalonego o 32 lata świetlne. Choć taka liczba pikseli może wydawać się skromna, wystarczyłaby do stworzenia pierwszej mapy powierzchni planety spoza Układu Słonecznego.
W ramach badania Turyshev porównał ten ekscentryczny pomysł do trzech głównych podejść do obrazowania egzoplanet: tradycyjnych teleskopów kosmicznych, technik pośrednich oraz bezpośrednich odwiedzin w otoczeniu odległej gwiazdy. Okazuje się, że każda z tych metod charakteryzuje się poważnymi ograniczeniami.
Najbliższe zrealizowania są wielkie teleskopy kosmiczne – takie jak projektowany LUVOIR o średnicy 15 metrów, HabEx czy Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman. Mimo imponujących rozmiarów i zaawansowania technologicznego nawet one nie są w stanie zarejestrować wystarczającej liczby fotonów z tak odległej planety, by stworzyć obraz w wysokiej rozdzielczości. Według obliczeń LUVOIR musiałby prowadzić obserwacje przez blisko 1900 lat, by uzyskać pojedynczy obraz planety o rozdzielczości 100 pikseli. Wynika to głównie z tego, że liczba fotonów docierających do teleskopu z obserwowanej egzoplanety byłaby przytłoczona fotonami pochodzącymi z innych źródeł kosmicznych, które powodowałyby ogromny szum. To właśnie wyłuskanie tych właściwych fotonów z szumu tła zajęłoby tysiące lat.
Inne pomysły, takie jak interferometria (czyli łączenie sygnałów z wielu teleskopów rozmieszczonych w przestrzeni), również nie dają nadziei na szybki postęp. Interferometria wymagałaby stworzenia ogromnej sieci teleskopów oddalonych od siebie o ponad 100 kilometrów – co obecnie wykracza poza nasze możliwości inżynieryjne. Osłony gwiazd nie poprawiają z kolei samej rozdzielczości obrazu i wymagają wprost niewyobrażalnie precyzyjnej synchronizacji w przestrzeni kosmicznej.
Pośrednie metody obserwacji, takie jak analiza tranzytów planet czy zakryć, umożliwiają jedynie badanie składu atmosfery i rozmiarów planet. Próby wykorzystania sztucznych przesłon lub zakryć przez obiekty w Pasie Kuipera są zbyt trudne do praktycznej realizacji z uwagi na konieczność ekstremalnie precyzyjnego pozycjonowania.
Nieco bardziej futurystyczną alternatywą jest bezpośrednia eksploracja – jak w koncepcji Breakthrough Starshot, zakładającej wysyłanie miniaturowych sond w stronę sąsiednich układów planetarnych z prędkością rzędu 20% prędkości światła. Jednak nawet jeśli udałoby się takie sondy wysłać, miałyby one zaledwie kilka minut na zebranie danych podczas przelotu w pobliżu docelowej egzoplanety. Nawet gdyby i to się udało, to wciąż nie mamy technologii, która byłaby w stanie wykonać zdjęcia i wysłać je z odległości dziesiątek lat świetlnych w kierunku Ziemi, a jednocześnie dałaby się zamknąć w sondzie na tyle małej, abyśmy byli w stanie wysłać ją z odpowiednią prędkością w kierunku odległej gwiazdy. Mówimy tu o sondzie o masie kilku, kilkunastu gramów.
Na tle tych wszystkich ograniczeń koncepcja SGL wypada wyjątkowo korzystnie. Owszem, wysłanie teleskopu poza 550 j.a. to wyzwanie logistyczne i technologiczne, ale potencjalne korzyści naukowe są ogromne. Niestety, patrząc na to, co się obecnie dzieje z NASA, możemy spokojnie zapomnieć o realizacji tak fenomenalnych i wysokobudżetowych projektów. Może chociaż jakiś pisarz science fiction podchwyci pomysł i napisze o SGL jakąś ciekawą powieść.
Analiza Turysheva jednoznacznie pokazuje, że jeśli chcemy w nadchodzących dekadach uzyskać pierwsze obrazy powierzchni egzoplanety przypominającej Ziemię, to soczewkowanie grawitacyjne wokół Słońca pozostaje najlepszą – i być może jedyną – realną drogą do osiągnięcia tego celu.