Een ruimtemissie naar het zwaartepunt van de zon

De zoektocht naar een aardachtige planeet die rond een andere ster draait, is een van de grootste uitdagingen van de astronomie. Het is een taak die bijna voltooid lijkt. Sinds astronomen in 1988 de eerste exoplaneet zagen, hebben ze meer dan 2000 andere gevonden.

De meeste van deze planeten zijn enorm, omdat grotere objecten gemakkelijker te zien zijn. Maar naarmate detectietechnieken en -technologieën verbeteren, vinden astronomen planeten die steeds beter overeenkomen met de vitale statistieken van de aarde.

Ze zijn zelfs begonnen met het gebruik van een classificatiesysteem, de Earth Similarity Index genaamd, om te kwantificeren hoe vergelijkbaar een exoplaneet is met de moederplaneet. De exoplaneet die momenteel het hoogst scoort, is Kepler-438b, die op zo'n 470 lichtjaar van hier in de bewoonbare zone van een rode dwerg in het sterrenbeeld Lyra draait.

Kepler-438b heeft een Earth Similarity Index van 0,88. Ter vergelijking: Mars heeft een ESI van 0,797, dus het lijkt meer op de aarde dan onze naaste buur. Dat is spannend, maar het is onvermijdelijk dat astronomen in de nabije toekomst planeten met nog hogere indexen zullen vinden.

En dat roept een interessante vraag op: hoeveel kunnen we ooit weten over deze planeten, gezien hun grootte en afstand tot ons? De beperkte omvang van in een baan om de aarde draaiende telescopen legt immers ernstige beperkingen op aan de hoeveelheid licht en informatie die we van een aardanaloog kunnen verzamelen.

Maar er is nog een andere optie: het zwaartekrachtsveld van de zon kan het licht bundelen. Plaats een telescoop in het brandpunt van deze gigantische lens en het moet mogelijk worden om een ​​object op afstand in ongekend detail te bestuderen. Maar hoe goed zou zo'n lens zijn; wat zou het onthullen dat we niet konden zien met onze eigen telescopen?

Vandaag krijgen we een antwoord op deze vragen dankzij het werk van Geoffrey Landis in het John Glenn Research Center van NASA in Cleveland. Landis heeft het oplossend vermogen van de zonnelens geanalyseerd en bedacht hoe goed het zou kunnen zijn.

De basisfysica is eenvoudig en is in het verleden door astronomen tot in detail uitgewerkt. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat licht rond elk massief object moet buigen. Het effect is echter klein en alleen waarneembaar bij objecten met een werkelijk enorme massa.

Ondanks zijn grootte buigt de zon het licht maar een klein beetje af. Bijgevolg is het brandpunt van onze zonnelens minstens 550 astronomische eenheden verwijderd. Dat is buiten de baan van Pluto en de Kuipergordel, die zich slechts 50 AU uitstrekt.

Desalniettemin is het een verleidelijke opstap, aangezien er weinig interesse is tussen de Kuipergordel en de volgende dichtstbijzijnde ster, Alpha Centauri, die 280.000 AE verwijderd is. Er is dus een krachtige stimulans om een ​​plausibel doel te vinden bij het bezoeken van de zwaartekracht, als een mogelijke tussenstap naar een toekomstige interstellaire missie, zegt Landis.

Maar er zijn aanzienlijke uitdagingen bij het gebruik van de zon als zwaartekrachtlens. De eerste heeft betrekking op wijzen en brandpuntsafstand. Het idee is om een ​​ruimtevaartuig aan de andere kant van de zon dan de exoplaneet te plaatsen, maar het kan niet precies in het brandpunt zitten waar het licht van de exoplaneet samenkomt.

Dat komt omdat elk beeld zou worden overstemd door het licht van de zon, wat nog steeds het helderste object aan de hemel zou zijn. In plaats daarvan zou het ruimtevaartuig voorbij het brandpunt zitten waar het licht van de exoplaneet zich zou vormen tot een Einstein-ring rond de zon. Het is deze ring die de missie zou moeten bemonsteren.

Maar het is niet alleen de zon die het beeld kan overstemmen. Ook de zonnecorona, de aura van plasma die de zon omgeeft, is een probleem, en dat gaat veel verder. Om ervoor te zorgen dat de Einstein-ring groter is dan de corona en er niet door wordt verduisterd, zou de missie nog verder moeten zitten, op een afstand van meer dan 2.000 AU, zegt Landis. Dat is veel verder dan de 550 AU die eerdere analyses hebben gesuggereerd.

Het is eenvoudig aan te tonen dat deze missie maar één doel kon hebben. Om naar een ander object op slechts 1 graad afstand te wijzen, zou de telescoop minstens 10 AU rond de zon moeten bewegen, wat overeenkomt met de afstand van de aarde tot Saturnus. Een significant verschil tussen de zonne-zwaartekrachtlens en een conventionele telescoop is dat de zwaartekracht-lens-telescoop in geen enkele praktische zin richtbaar is, zegt Landis.

Maar gegeven een specifiek doel, levert de brandpuntskracht van de zon een enorm uitvergroot beeld op. Om zijn potentieel te demonstreren, gebruikt Landis het hypothetische voorbeeld van een exoplaneet die rond een ster draait op een afstand van ongeveer 35 lichtjaar. Als deze planeet even groot zou zijn als de aarde, zou het beeld in het brandvlak van de zon 12,5 kilometer breed zijn.

Dus de missie kon maar een klein deel van het oppervlak van de planeet zien. Inderdaad, een telescoop met een detector van één meter zou een oppervlakte van een vierkante kilometer op het oppervlak van de planeet in beeld brengen - dat is kleiner dan Central Park in New York.

Een telescoop richten op een gebied dat zo klein en ver weg is, is lastig. Er kan op zo'n telescoop geen zoeker zijn omdat het doel onzichtbaar zou zijn, behalve bij gebruik van de zwaartekrachtlens. De positie van de exoplaneet zal dus met grote precisie bekend moeten zijn.

Zelfs dan zal het niet triviaal zijn om erop te wijzen. Het vinden van een planeet met een diameter van ~10^4 km op een afstand van 10^14 km vereist een aanwijskennis en een aanwijsnauwkeurigheid van 0,1 nanoradiaal, zegt Landis. State-of-the-art aanwijsnauwkeurigheid is vandaag ongeveer 10 nanoradiaal.

Maar dat is nog maar het begin. De exoplaneet zal bewegen terwijl hij om zijn ster draait. Landis analyseert wat er zou gebeuren als de exoplaneet dezelfde baansnelheid heeft als de aarde, 30 km/sec. In dat geval zal een stuk van een kilometer van de planeet in slechts 33 milliseconden een detector van één meter doorkruisen en zal de hele planeet in 42 seconden voorbij glippen.

Onscherpte voorkomen door de telescoop te bewegen om het beeld te volgen, zal moeilijk zijn. Landis zegt dat het ruimtevaartuig zijn snelheid met 30 meter per seconde zal moeten veranderen om bij te blijven en dat het in de loop van een jaar een ellips zou volgen met een halve hoofdas van ongeveer 150.000 kilometer. Het is niet duidelijk wat voor soort voortstuwingssysteem hiertoe in staat zou zijn.

Het alternatief is natuurlijk om beeldverwerkingstechnieken te gebruiken om de onscherpte te verwijderen, wat met de huidige technologie steeds beter mogelijk is.

Een ander groot probleem is het uitfilteren van het licht van de zon, om nog maar te zwijgen van de moederster van de exoplaneet, die orden van grootte helderder zal zijn dan het doel. De telescoop zal ook interferentie van andere bronnen, zoals zodiakaallicht, moeten minimaliseren. Hier is veel moeite voor gedaan voor de huidige generatie telescopen voor de jacht op planeten. Toch is dit volgens Landis geen triviaal probleem.

Hoeveel beter, gezien al deze problemen, is het beeld van een zwaartekrachtlens vergeleken met een beeld zonder lens? De schatting van Landis is dat de lens de intensiteit van het licht van de exoplaneet met een factor 100.000 verhoogt.

Dat is een belangrijk voordeel. Maar het kan alleen worden gerealiseerd als het licht van de exoplaneet goed kan worden gescheiden van het licht van andere bronnen zoals de zon, de corona, de moederster, enzovoort. En dit is een grote onbekende.

Het nut van de missie hangt hiervan af. Is het, gezien alle moeilijkheden, de moeite waard om naar meer dan 600 AU te reizen om slechts een factor 100.000 te winnen? Is dit genoeg? vraagt ​​Landis.

Dat is een vraag die astronomen, financieringsinstanties en het grote publiek tot in detail zullen moeten overwegen. Landis suggereert niet dat een dergelijke missie nu moet worden ondernomen of zelfs maar mogelijk of betaalbaar is. Maar zijn analyse heeft zeker de inzet verhoogd.

Als we verder gaan, lijkt het moeilijk om het belang te onderschatten van het vinden van een aardanaloog die het potentieel heeft om leven te ondersteunen. Het idee om gebieden op deze planeet in kaart te brengen die slechts één kilometer groot zijn, zal een krachtige motivatie zijn.

Op aarde zou dit soort afbeelding eilanden, rivieren, parken, grote muren, snelwegen, steden, enzovoort onthullen. Misschien onthult een ruimtevaartuig dat in het zwaartepunt van een verre ster zit deze dingen op dit moment aan een betoverde buitenaardse bevolking. Stel je eens voor.

Referentie: arxiv.org/abs/1604.06351 : Missie naar het zwaartepunt van de zon: een kritische analyse

zich verstoppen