Телескоп, который мог бы снимать фильмы об экзопланетах
Может ли телескоп километрового масштаба помочь в проведении более эффективных научных исследований, в частности, в области оптической интерферометрии? Именно на этот вопрос направлено исследование, недавно опубликованное на сервере препринтов arXiv.
Пара исследователей предлагают проект Big Fringe Telescope (BFT), который, как планируется, будет состоять из 16 телескопов диаметром 0,5 метра и будет эквивалентен телескопу диаметром 2,2 километра. Уникальность BFT заключается в ее способности создавать "фильмы" об экзопланетах в реальном времени, подобные фильмам, в которых Венера проходит транзитом через наше солнце, а также в значительном снижении затрат на строительство по сравнению с современными наземными оптическими интерферометрами.
Это предложение основано на предыдущих оптических интерферометрах, в том числе на массиве Центра астрономии высокого углового разрешения (CHARA) Университета штата Джорджия, состоящем из шести телескопов диаметром 1 метр, что эквивалентно телескопу диаметром 330 метров, и интерферометре Very Large Telescope Европейской Южной обсерватории (VTLI), состоящем из четырех 8,2-метровых телескопов. телескопы и четыре подвижных 1,8-метровых телескопа, эквивалентных телескопу диаметром 130 метров.
Кроме того, это предложение поступило в связи с тем, что ESO в настоящее время строит свой чрезвычайно большой телескоп-рефлектор диаметром 39,3 метра (130 футов) в пустыне Атакама в Чили.
Здесь Universe Today обсуждает это невероятное предложение с доктором Джерардом ван Беллем, астрономом из обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона, о мотивации, стоящей за предложением BFT, научных задачах, которые BFT надеется реализовать, новых методах изучения экзопланет (например, видеосъемка в реальном времени). как BFT потенциально может способствовать поиску жизни за пределами Земли, следующие шаги по превращению BFT в реальность, а также значение каждого телескопа диаметром 0,5 метра как для науки, так и для стоимости.
Итак, какова была мотивация, побудившая вас предложить BFT?
"Мотивация заключается в том, что в какой-то момент сообщество "оставило деньги на столе", - говорит доктор ван Белл в интервью Universe Today. "Здесь есть действительно захватывающий научный случай — получение изображений ярких звезд — и его упустили из виду. Отчасти это объясняется тем, что коллективное воображение людей (таких, как я), создающих эти матрицы для получения изображений с очень высоким угловым разрешением, коллективно отвлекалось на то, чтобы делать их "слабее, слабее, слабее", а не "тоньше, тоньше, тоньше".
"И приятным сюрпризом является то, что, поскольку мы не становимся слишком слабыми, телескопы, входящие в состав массива BFT, невелики, и поэтому BFT на удивление доступен по цене. Дополнительная третья особенность заключается в том, что многие детали только недавно поступили в продажу, что также повышает их доступность. Таким образом, это отличная научная разработка, которая еще не была внедрена, она дешевая и своевременная."
В исследовании отмечается, что "рутинная съемка ярких звезд главной последовательности остается на удивление неизученной научной областью". В то время как в 2007 году с помощью телескопа CHARA было получено первое изображение одиночной звезды главной последовательности, некоторые научные исследования, проведенные CHARA, были сосредоточены на двойных звездах, взрывах сверхновых и других явлениях. пыль, вращающаяся вокруг звезд.
Кроме того, в то время как VLTI получил наилучшее изображение поверхности и атмосферы красной сверхгигантской звезды, некоторые научные исследования включали прямые наблюдения экзопланет, наблюдение Стрельца А*, который является сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути, и обнаружение экзозодиакального света.
Как и CHARA и VLTI, BFT также будет проводить широкий спектр научных исследований, преследуя цель получения изображений ярких звезд главной последовательности. Это включает в себя изучение звезд-хозяев экзопланет, аналогов Солнца, разрешенных двойных систем и разрешенных транзитов экзопланет.
Доктор ван Белль (van Belle) рассказывает в интервью Universe Today: "Экзопланеты-хозяева планеты - это настоящая находка: взрыв открытий, связанных с экзопланетами, за последние три десятилетия действительно преобразил астрономию. Аналоги Солнца чрезвычайно важны для изучения.
"До сих пор у нас была единственная звезда, похожая на солнце, которую мы могли разложить на нечто большее, чем диск, и посмотреть, как она ведет себя с течением времени, а именно наше собственное солнце. Но это немного похоже на попытку изучить анатомию и физиологию, если бы вы когда-либо были врачом одного пациента. Таким образом, возможность получать разрешенные изображения звезд, похожих на солнце, действительно жизненно важна для лучшего понимания нашего собственного солнца и особенно его влияния на нашу родную планету".
Доктор ван Белль продолжает: "Наблюдения за двойными звездными системами позволяют нам определять массы из-за их орбитального движения друг вокруг друга, а BFT добавляет дополнительную ценность, непосредственно измеряя радиусы этих звезд. Разрешенные транзиты экзопланет будут очень интересными. Мы сможем увидеть разрешенный диск другого мира, когда он будет проходить перед своей главной звездой.
"Такого рода вещи будут полезны для дальнейшей характеристики экзопланет, а также для поиска экзолун. Существует множество других научных данных BFT, которые не входят в основные исследования marquee, — многие сотни различных типов звезд, которые мы сможем сфотографировать и увидеть, как эти изображения меняются со временем".
В настоящее время прямое наблюдение экзопланет осуществляется с помощью метода прямой визуализации, при котором астрономы используют коронограф, чтобы скрыть яркий свет звезды-хозяина, открывая скрытые под ней экзопланеты, хотя их полные очертания не видны. Кроме того, транзитный метод заключается в измерении падения звездного света, вызванного прохождением экзопланеты перед ней, но не наблюдаемого из-за ее небольшого размера и интенсивного свечения звезды-хозяина.
Разрешенные транзиты экзопланет, которых надеется достичь BFT, означают, что астрономы смогут наблюдать полный контур экзопланеты, когда она проходит перед своей звездой-хозяином, сочетая таким образом метод прямой визуализации с методом транзита.
Примером этого может служить прохождение Венеры перед нашим солнцем, что позволяет астрономам наблюдать весь контур как планеты, так и нашего солнца, в результате чего можно получить видеозапись этого невероятного астрономического события в режиме реального времени. Ожидается, что с помощью BFT эти фильмы в режиме реального времени будут сняты и для экзопланет. Итак, какую научную информацию можно получить с помощью этих фильмов в режиме реального времени?
"Как отмечалось выше, мы сможем увидеть эти миры в виде разрешимых дисков", - говорит доктор ван Белль в интервью Universe Today. "Это позволит нам лучше определить линейный размер, а также измерить плотность этих миров — например, каменистых или водных, твердых или газообразных? Такое разрешение в зависимости от длины волны может также рассказать нам о составе атмосферы, хотя это довольно сложное наблюдение.
"Возможно, более простой задачей будет попытаться измерить сжатость газовых миров — например, Юпитер немного шире, чем в высоту, потому что он представляет собой быстро вращающийся сгусток газа. Такие наблюдения позволят нам измерить скорость вращения этих планет".
На момент написания этой статьи НАСА подтвердило существование 5743 экзопланет, состоящих из широкого диапазона размеров и состава, и они были обнаружены в солнечных системах, содержащих одиночные планеты или до семи планет.
Методы, используемые для обнаружения экзопланет, также демонстрируют разнообразие, включая транзитный метод, метод лучевой скорости, метод микролинзирования и метод прямой визуализации. У каждой из них есть свои уникальные способы не только идентификации экзопланет, но и сбора данных о составе их поверхности, атмосферы и потенциальном существовании жизни. Итак, как BFT может способствовать поиску жизни за пределами Земли?
Доктор ван Белль рассказывает Universe Today: "BFT в первую очередь будет заниматься наблюдением за экзопланетами, а не их поиском, но при этом будет способствовать гораздо лучшему описанию экзопланет и их хозяев. Многое из того, "есть ли там жизнь", зависит не только от экзопланеты, но и от условий, которые создает для этой экзопланеты ее хозяин. Знание "космической погоды" позволит получить гораздо более полную информацию из наблюдений BFT."
Наряду с потенциальными снимками экзопланет и улучшенными научными данными о ярких звездах, одной из основных движущих сил BFT является его стоимость, поскольку, по оценкам исследователей, общая стоимость всего проекта составляет 28 496 000 долларов за все 16 телескопов по 0,5 метра каждый. В отличие от этого, установка GSU CHARA array обошлась более чем в 14,5 миллионов долларов всего за шесть телескопов длиной 1 метр каждый, а стоимость строительства VLT/VLTI оценивается в сотни миллионов долларов для четырех 8,2-метровых телескопов и четырех подвижных 1,8-метровых телескопов.
В этом недавнем исследовании представлена подробная разбивка затрат по каждому аспекту BFT, включая сбор луча (4 720 000 долларов США), транспортировку луча (2 744 000 долларов США), комбинацию лучей (4 140 000 долларов США), задержку луча (4 000 000 долларов США), инфраструктуру (1 943 000 долларов США) и рабочую силу (5 250 000 долларов США). Но, учитывая, что каждый телескоп BFT меньше, чем те, что используются на GSY CHARA и VLTI, что означает меньший размер собирающей апертуры, в чем смысл использования 0,5-метровой собирающей апертуры и в чем причина того, что BFT нацелен на яркие звезды?
"0,5-метровые телескопы оказывают большое влияние на доступность проекта", - говорит доктор ван Белль в интервью Universe Today. "Телескопы меньшего размера стоят дешевле, как в плане трубы, так и в плане монтировки. Это, в свою очередь, означает, что корпус становится меньше и дешевле.
"Для полуметровых телескопов достаточно простой атмосферной коррекции с наклоном, а не более дорогостоящей многоэлементной адаптивной оптики. А поскольку в телескопе 16 апертур, каждое снижение стоимости станции приводит к эффекту домино. И да, основная выгода, которая здесь происходит, заключается в том, что объект может наблюдать только более яркие объекты — например, в первую очередь яркие звезды".
Как и для космических телескопов, для создания наземных систем требуются годы финансирования, испытаний, планирования и строительства. Это предполагает получение необходимого финансирования от нескольких сторон и организаций и поиск подходящей строительной площадки для размещения. Кроме того, тестирование телескопов перед установкой необходимо для успешного проведения научных исследований как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.
Например, массив ГСУ ЧАРА был основан в 1984 году, за которым последовали годы финансовых усилий, которые наконец завершились в 1998 году, а строительство массива было завершено только в 2003 году. Финансирование проекта VLT/VLTI началось в 1987 году, строительство началось в 1991 году и было завершено в 1998 году. Итак, каковы следующие шаги по воплощению BFT в жизнь?
"Итак, BFT интересен тем, как он масштабируется", - говорит доктор ван Белль в интервью Universe Today. "Прямо сейчас мы проводим лабораторную работу по проверке некоторых базовых технологий; значительная часть этих технологий уже успешно внедрена в таких местах, как массив ЧАРА Университета штата Джорджия или Европейская южная обсерватория VLTI.
"Исходя из этого, нашими следующими шагами будут испытания на небе одной пары телескопов. BFT состоит из 16 таких телескопов, но мы уже можем протестировать его работу только с двумя. Такая масштабируемость делает BFT телескопом с гораздо меньшим риском, чем обычные крупные установки, где вам приходится в той или иной степени собирать всю эту чертову штуку, прежде чем вы сможете протестировать ее на небе".
