Eine Weltraummission zum Gravitationsfokus der Sonne

Die Suche nach einem erdähnlichen Planeten, der einen anderen Stern umkreist, ist eine der größten Herausforderungen der Astronomie. Eine Aufgabe, die kurz vor der Verwirklichung steht. Seit Astronomen 1988 den ersten Exoplaneten entdeckten, haben sie mehr als 2.000 weitere entdeckt.

Die meisten dieser Planeten sind riesig, weil größere Objekte leichter zu erkennen sind. Aber mit der Verbesserung von Sensortechniken und -technologien finden Astronomen immer mehr Planeten, die den Vitalstatistiken der Erde entsprechen.

Sie haben sogar damit begonnen, ein Rangsystem namens Earth Similarity Index zu verwenden, um zu quantifizieren, wie ähnlich ein Exoplanet dem Mutterplaneten ist. Der derzeit ranghöchste Exoplanet ist Kepler-438b, der etwa 470 Lichtjahre von hier entfernt in der bewohnbaren Zone eines Roten Zwergs im Sternbild Leier kreist.



Kepler-438b hat einen Earth Similarity Index von 0,88. Im Vergleich dazu hat der Mars einen ESI von 0,797, also ist er erdähnlicher als unser nächster Nachbar. Das ist aufregend, aber es ist unvermeidlich, dass Astronomen in naher Zukunft Planeten mit noch höheren Indizes finden werden.

Und das wirft eine interessante Frage auf: Wie viel können wir angesichts ihrer Größe und Entfernung von uns jemals über diese Planeten wissen? Schließlich schränkt die begrenzte Größe von Teleskopen im Orbit stark ein, wie viel Licht und Informationen wir von einem Erdanalog sammeln können.

Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit: Das Gravitationsfeld der Sonne kann Licht bündeln. Platzieren Sie ein Teleskop im Brennpunkt dieser riesigen Linse, und es sollte möglich werden, ein entferntes Objekt in beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Aber wie gut wäre ein solches Objektiv; Was würde es offenbaren, was wir mit unseren eigenen Teleskopen nicht sehen könnten?

Heute erhalten wir dank der Arbeit von Geoffrey Landis vom John Glenn Research Center der NASA in Cleveland eine Antwort auf diese Fragen. Landis hat das Auflösungsvermögen der Solarlinse analysiert und ausgerechnet, wie gut es sein könnte.

Die grundlegende Physik ist unkompliziert und wurde in der Vergangenheit von Astronomen ausführlich ausgearbeitet. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass sich Licht um jedes massive Objekt biegen muss. Der Effekt ist jedoch winzig und nur bei Objekten mit wirklich enormer Masse beobachtbar.

Trotz ihrer Größe beugt die Sonne das Licht nur geringfügig. Folglich ist der Brennpunkt unserer Sonnenlinse mindestens 550 astronomische Einheiten entfernt. Das liegt jenseits der Umlaufbahn von Pluto und des Kuipergürtels, der sich nur über 50 AE erstreckt.

Dennoch ist es ein verlockendes Sprungbrett, da es zwischen dem Kuipergürtel und dem nächstnächsten Stern, Alpha Centauri, der 280.000 AE entfernt ist, wenig Interessantes gibt. Es gibt daher einen starken Anreiz, ein plausibles Ziel beim Besuch des Gravitationsfokus als möglichen Zwischenschritt zu einer zukünftigen interstellaren Mission zu finden, sagt Landis.

Aber es gibt erhebliche Herausforderungen bei der Verwendung der Sonne als Gravitationslinse. Die erste bezieht sich auf die Ausrichtung und die Brennweite. Die Idee ist, ein Raumschiff auf der dem Exoplaneten gegenüberliegenden Seite der Sonne zu platzieren, aber es kann nicht genau im Brennpunkt sitzen, wo das Licht vom Exoplaneten konvergiert.

Das liegt daran, dass jedes Bild vom Licht der Sonne übertönt würde, die immer noch das hellste Objekt am Himmel wäre. Stattdessen würde das Raumschiff hinter dem Brennpunkt sitzen, wo sich das Licht des Exoplaneten zu einem Einstein-Ring um die Sonne formen würde. Es ist dieser Ring, den die Mission beproben müsste.

Aber nicht nur die Sonne kann das Bild übertönen. Die Sonnenkorona, die Plasmaaura, die die Sonne umgibt, ist ebenfalls ein Problem, und das geht noch viel weiter. Um sicherzustellen, dass der Einsteinring größer als die Korona ist und nicht von ihr verdeckt wird, müsste die Mission noch weiter entfernt sitzen, in einer Entfernung von mehr als 2.000 AE, sagt Landis. Das ist viel weiter als die 550 AU, die frühere Analysen vorgeschlagen haben.

Es ist einfach zu zeigen, dass diese Mission nur ein einziges Ziel haben konnte. Um auf ein anderes Objekt in nur 1 Grad Entfernung zu zielen, müsste sich das Teleskop mindestens 10 AE um die Sonne bewegen, was der Entfernung von der Erde zum Saturn entspricht. Ein wesentlicher Unterschied der Sonnen-Gravitationslinse zu einem herkömmlichen Teleskop besteht darin, dass das Gravitationslinsen-Teleskop praktisch nicht ausrichtbar ist, sagt Landis.

Bei einem bestimmten Ziel erzeugt die Brennkraft der Sonne jedoch eine enorm vergrößerte Ansicht. Um sein Potenzial zu demonstrieren, verwendet Landis das hypothetische Beispiel eines Exoplaneten, der einen etwa 35 Lichtjahre entfernten Stern umkreist. Wenn dieser Planet die gleiche Größe wie die Erde hätte, hätte das Bild in der Brennebene der Sonne einen Durchmesser von 12,5 Kilometern.

Die Mission konnte also immer nur einen kleinen Bruchteil der Planetenoberfläche sehen. Tatsächlich würde ein Teleskop mit einem 1-Meter-Detektor eine Fläche von einem Quadratkilometer auf der Oberfläche des Planeten abbilden – das ist kleiner als der New Yorker Central Park.

Es ist schwierig, ein Teleskop auf einen so kleinen und weit entfernten Bereich zu richten. An einem solchen Teleskop kann es kein Sucherfernrohr geben, da das Ziel unsichtbar wäre, außer wenn die Gravitationslinse verwendet wird. Daher muss die Position des Exoplaneten mit hoher Genauigkeit bekannt sein.

Selbst dann wird es nicht trivial sein, darauf zu zeigen. Um einen Planeten mit einem Durchmesser von ~10^4 km in einer Entfernung von 10^14 km zu finden, ist eine Orientierungskenntnis und eine Orientierungsgenauigkeit von 0,1 Nanoradian erforderlich, sagt Landis. Die hochmoderne Zeigegenauigkeit liegt heute bei etwa 10 Nanoradian.

Aber das ist nur der Anfang. Der Exoplanet wird sich bewegen, während er seinen Stern umkreist. Landis analysiert, was passieren würde, wenn der Exoplanet dieselbe Umlaufgeschwindigkeit wie die Erde hätte, nämlich 30 km/s. In diesem Fall durchquert ein ein Kilometer langer Abschnitt des Planeten einen einen Meter großen Detektor in nur 33 Millisekunden, und der gesamte Planet wird in 42 Sekunden vorbeiziehen.

Das Verhindern von Unschärfe durch Bewegen des Teleskops, um das Bild zu verfolgen, wird schwierig sein. Landis sagt, dass das Raumfahrzeug seine Geschwindigkeit um 30 Meter pro Sekunde ändern muss, um mitzuhalten, und dass es im Laufe eines Jahres einer Ellipse mit einer großen Halbachse von etwa 150.000 Kilometern folgen würde. Es ist nicht klar, welche Art von Antriebssystem dazu in der Lage wäre.

Die Alternative besteht natürlich darin, Bildverarbeitungstechniken zu verwenden, um die Unschärfe zu entfernen, was mit der heutigen Technologie zunehmend machbar ist.

Ein weiteres großes Problem besteht darin, das Licht der Sonne herauszufiltern, ganz zu schweigen vom Mutterstern des Exoplaneten, der um Größenordnungen heller sein wird als das Ziel. Das Teleskop muss auch Störungen durch andere Quellen wie Tierkreislicht minimieren. Für die aktuelle Generation von Planetenjagd-Teleskopen wurde viel Mühe darauf verwendet. Dennoch, so Landis, sei das kein triviales Problem.

Wie viel besser ist angesichts all dieser Probleme das Bild einer Gravitationslinse im Vergleich zu einem Bild ohne Linse? Landis schätzt, dass die Linse die Lichtintensität des Exoplaneten um den Faktor 100.000 erhöht.

Das ist ein entscheidender Vorteil. Aber es kann nur realisiert werden, wenn das Exoplanetenlicht gut vom Licht anderer Quellen wie der Sonne, der Korona, des Muttersterns usw. getrennt werden kann. Und das ist eine große Unbekannte.

Der Nutzen der Mission hängt davon ab. Lohnt es sich bei all den Schwierigkeiten, über 600 AE hinauszufahren, um nur den Faktor 100.000 zu gewinnen? Ist das genug? fragt Landis.

Das ist eine Frage, die Astronomen, Förderorganisationen und die breite Öffentlichkeit im Detail prüfen müssen. Landis macht keinen Vorschlag, dass eine solche Mission jetzt unternommen werden sollte oder überhaupt möglich oder erschwinglich ist. Aber seine Analyse hat sicherlich den Einsatz erhöht.

Um weiter zu gehen, scheint es schwer zu unterschätzen, wie wichtig es ist, ein Erdanalog zu finden, das das Potenzial hat, Leben zu unterstützen. Die Idee, Gebiete auf diesem Planeten zu kartieren, die nur einen Kilometer groß sind, wird eine starke Motivation sein.

Auf der Erde würde diese Art von Bild Inseln, Flüsse, Parks, Chinesische Mauern, Autobahnen, Städte und so weiter zeigen. Vielleicht enthüllt ein Raumschiff, das im Gravitationsfokus eines fernen Sterns sitzt, diese Dinge gerade jetzt einer verzauberten außerirdischen Bevölkerung. Stell dir vor.

Ref: arxiv.org/abs/1604.06351 : Mission zum Gravitationsfokus der Sonne: Eine kritische Analyse

verbergen