Эта анимация прекрасно иллюстрирует эффект гравитационного линзирования. Предполагается, что в этом примере чёрная дыра имеет радиус, равный радиусу Земли. Тогда масса черной дыры будет составлять около 2000 масс Солнца. Земля вращается на расстоянии трёх радиусов Шварцшильда (ближайшая устойчивая круговая орбита), и мы наблюдаем за ней в состоянии покоя с дистанции в 5 радиусов Шварцшильда. При этих условиях мы бы увидели, как Земля оборачивается вокруг черной дыры 80 раз в секунду!

Однако эта анимация условно реалистична. На самом деле Земля была бы разорвана на части приливными силами примерно за один оборот, если бы она вращалась настолько близко к черной дыре с такой массой.

Астрономия, вне всякого сомнения, одна из самых интересных областей физики. В последние несколько десятилетий одним из процветающих направлений в этой области был поиск экзопланет. И хотя первую планету открыли только в 1992 году, на начало апреля 2020 года существует уже 4 144 подтверждённые экзопланеты. Нас, как любителей НФ, естественно, больше всего интересуют те 55 из них, которые считаются потенциально обитаемыми. К сожалению, с обычными телескопами у нас не получится сделать фотографию Земли 2.0 с такой детализацией, которая позволила бы нам понять, есть ли у неё особенности, свидетельствующие о наличии жизни.

Недавно очередной этап конкурса Программы инновационных передовых концепций НАСА (NIAC), по результатам которого будет распределяться финансирование, прошла миссия по использованию Солнца в качестве гравитационной линзы. Её цель – изменить текущую ситуацию с телескопами, воспользовавшись эффектом солнечного гравитационного линзирования.

Всё началось с Эйнштейна

Галактика LRG 3-757 с сильным гравитационным линзированием; вид через телескоп Хаббла

Неудивительно, что именно Эйнштейн в 1936 году подсчитал, что гравитационное поле звезды может служить линзой. Если объект расположен за звездой на линии прямой видимости некоего наблюдателя, то для него её изображение сформирует кольцо. Сегодня это явление называют кольцом Эйнштейна. Только в 1979 году этот эффект был открыт экспериментально – два подозрительно одинаковых наблюдаемых объекта оказались одним и тем же объектом, изображение которого дублировалось гравитационной линзой. Сегодня гравитационное линзирование используется для подсчёта количества и распространения тёмной материи. Как уже ясно из начала этой статьи, благодаря тому, что гравитационная линза усиливает яркость объектов, она может работать и в качестве гравитационного телескопа, позволяя находить тусклые галактики ранней Вселенной.

ИИ и астрономы-любители помогают искать иголки в стоге сена

Гравитационные линзы попадаются редко, и чтобы найти их, сначала нужно пересмотреть тысячи изображений различных галактик. Кроме того, остаётся нетривиальной задачей распознать и исправить искажение изображения, произошедшее в гравитационной линзе. Поэтому проект Space Warps полагался на астрономов-любителей в поисках гравитационных линз в данных, снятых астрокамерой Hyper Suprime-Cam. Также для фильтрации данных астрономических обзоров можно использовать алгоритмы с машинным обучением. В частности, для поиска гравитационных линз уже были использованы свёрточные нейросети такого же рода, которые занимаются распознаванием лиц в проекте DeepFace от Facebook.

Используем Солнце в качестве линзы

Концепция миссии солнечной гравитационной линзы

У гравитационной линзы, в отличие от оптической, фокус оказывается не точкой, а линией. Как видно на картинке, проект солнечной гравитационной линзы (SGL) фокусирует входящий свет на линии, начинающейся на расстоянии в 550 а.е. от Солнца. Если расположить в этой точке телескоп, то SGL сможет усилить яркость удалённого объекта примерно в 10^11 раз и дать угловое разрешение в 10^-10”. Для экзопланеты размером с Землю, находящейся на расстоянии в 30 парсек (100 световых лет), телескоп SGL дал бы разрешение в 25 км на пиксель, что позволило бы нам разглядеть особенности её поверхности и найти признаки обитаемости.

Нитка жемчуга с солнечными парусами

Как, с точки зрения художника, могло бы выглядеть изображение землеподобной планеты, полученное телескопом SGL

Концепцию SGL хорошо объясняют в приведённом ниже видеоролике. Одной из крупных проблем будет доставка до фокальной точки Солнца. Самый далёкий космический зонд на сегодня, Вояджер-1, был запущен в 1977 году и находится на расстоянии в 148 а.е. При такой скорости движения у него ушло бы более 150 лет на то, чтобы добраться до ближайшей фокальной точки SGL. Современные двигатели на химическом топливе или ядерной энергии не подходят к требованиям по скорости и долговременной работе этого проекта. Вместо них в SGL предлагается использовать солнечные паруса, которые будут двигаться благодаря радиационному давлению Солнца. Подлетев поближе к Солнцу, космический корабль SGL сможет разогнаться до скорости 25 а.е./год, и долететь до нужной фокальной точки менее чем за 25 лет.

Однако было бы непрактично использовать один-единственный корабль, поскольку во время долгого полёта высок риск отказа оборудования. Вместо этого, согласно концепции миссии будет использован подход “нитки жемчуга” – в нём каждая жемчужина будет состоять 10-20 небольших космических кораблей (микроспутников) весом до 100 кг, летящих строем. А вся нить будет состоять из нескольких бусин, запускаемых с интервалом в 1 год. Избыточность в виде множества микроспутников уменьшает риск провала миссии, устраняя единую точку отказа. Также это позволит распределить стоимость миссии во времени и между участниками – в ином случае миссия такого масштаба вряд ли сможет найти достаточно финансов.

Каждый микроспутник будет работать по большей части автономно, что будет тем важнее, чем дальше он будет улетать от Земли. В конечной точке задержка сигнала будет составлять порядка четырёх дней. Чтобы достичь автономной навигации, обработки данных и управления отказами, миссия SGL предполагает использовать несколько новых технологий из сферы ИИ, а также таких загадочных технологий, как “объясняемый ИИ”, “машины с обучением в течение всей жизни”, “обучение с минимумом разметки” и “нейроморфные чипы“.

Также возникают проблемы с оборудованием для получения изображений. Для блокирования прямого света от Солнца используется коронограф с фазовой маской, работающей по схеме деструктивной интерференции. Однако свет от короны Солнца всё равно остаётся, и накладывается на кольцо Эйнштейна. Для уменьшения наложения телескоп нужно расположить ещё дальше от Солнца, на расстоянии порядка 650 а.е. Наконец, телескоп будет недостаточно крупным для того, чтобы видеть всё кольцо Эйнштейна целиком. Изображение экзопланеты земного размера, находящейся на расстоянии в 30 парсек, SGL сжимает в цилиндр диаметром порядка 1,3 км, находящийся в непосредственной близости от фокальной линии. Чтобы метровый телескоп получил изображение размером 1000 х 1000 пикселей, космическому кораблю придётся сканировать эту область попиксельно, двигаясь с шагом в 1,3 м. А потом изначальное изображение экзопланеты можно будет воссоздать при помощи алгоритма обращения свёртки.

Когда мы этого достигнем?

Когда же мы сможем получить первое изображение экзопланеты высокого разрешения? Естественно, график реализации проекта такого масштаба будет весьма размыт, и даты могут легко меняться на 5-10 лет. В отчёте о второй фазе финансирования утверждается, что необходимые технические доработки позволят осуществить запуск проекта в 2028-2030-х годах. Следовательно, реалистично будет ожидать получения первых данных от проекта в начале 2060-х.

На какую планету они будут смотреть? Поскольку до того, как миссия SGL достигнет своей цели, наверняка будет открыто несколько новых потенциально обитаемых планет, её цель ещё не определена окончательно. На сегодня одним из наиболее многообещающих кандидатов кажется TRAPPIST-1e – скалистая планета размером почти с Землю, возможно, содержащая воду, и расположенная на расстоянии в 12,1 парсек. Эту планету более пристально изучит телескоп имени Джеймса Уэбба, который планируется запустить в следующем году.

Что они будут искать? Поиски признаков обитаемости будут включать в себя спектроскопическое исследование атмосферы на предмет наличия таких биомаркеров, как кислород и метан. Также можно будет поискать искусственные источники света и радиопередачи.

Солнце не только позволило жизни возникнуть на Земле – оно может стать инструментом поиска жизни на других планетах. Здорово, что на вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, можно будет получить ответ ещё при нашей жизни. Заставляет задуматься, а сколько подобных телескопов в данный момент направлено на нашу планету.

Поддержать переводчика чеканной монетой: раз / два / три