Una missione spaziale al fuoco gravitazionale del sole

La ricerca di un pianeta simile alla Terra in orbita attorno a un'altra stella è una delle più grandi sfide dell'astronomia. È un compito che sembra prossimo al compimento. Da quando gli astronomi hanno individuato il primo esopianeta nel 1988, ne hanno trovati più di 2.000 altri.

La maggior parte di questi pianeti sono enormi, perché gli oggetti più grandi sono più facili da individuare. Ma man mano che le tecniche e le tecnologie di rilevamento migliorano, gli astronomi stanno trovando pianeti che corrispondono alle statistiche vitali della Terra sempre più da vicino.

Hanno persino iniziato a utilizzare un sistema di classificazione chiamato Earth Similarity Index per quantificare quanto sia simile un esopianeta al pianeta madre. L'esopianeta attualmente più in alto è Kepler-438b, che orbita nella zona abitabile di una nana rossa nella costellazione della Lira a circa 470 anni luce da qui.

Kepler-438b ha un indice di somiglianza terrestre di 0,88. In confronto, Marte ha un ESI di 0,797, quindi è più simile alla Terra del nostro vicino più prossimo. È eccitante, ma è inevitabile che gli astronomi trovino pianeti con indici ancora più alti nel prossimo futuro.

E questo solleva una domanda interessante: quanto potremo mai sapere di questi pianeti, date le loro dimensioni e distanza da noi? Dopotutto, le dimensioni limitate dei telescopi orbitanti pongono forti restrizioni su quanta luce e informazioni possiamo raccogliere da un analogo terrestre.

Ma c'è un'altra opzione: il campo gravitazionale del sole può focalizzare la luce. Posiziona un telescopio nel punto focale di questa lente gigante e dovrebbe diventare possibile studiare un oggetto distante con dettagli senza precedenti. Ma quanto sarebbe buono un obiettivo del genere; cosa rivelerebbe che non potremmo vedere con i nostri telescopi?

Oggi abbiamo una risposta a queste domande grazie al lavoro di Geoffrey Landis presso il John Glenn Research Center della NASA a Cleveland. Landis ha analizzato il potere risolutivo della lente solare e ha calcolato quanto potrebbe essere buono.

La fisica di base è semplice ed è stata elaborata in dettaglio dagli astronomi in passato. La relatività generale prevede che la luce debba piegarsi attorno a qualsiasi oggetto massiccio. L'effetto è piccolo, tuttavia, e osservabile solo con oggetti di massa davvero enorme.

Nonostante le sue dimensioni, il sole piega la luce solo di una piccola quantità. Di conseguenza, il punto focale della nostra lente solare è distante almeno 550 unità astronomiche. Questo è oltre l'orbita di Plutone e della cintura di Kuiper, che si estende per soli 50 UA.

Tuttavia, è un trampolino di lancio allettante dato che c'è poco interesse tra la fascia di Kuiper e la prossima stella più vicina, Alpha Centauri, che è distante 280.000 UA. C'è quindi un potente incentivo a trovare qualche obiettivo plausibile nel visitare il focus gravitazionale, come potenziale passo intermedio verso una futura missione interstellare, afferma Landis.

Ma ci sono sfide significative nell'uso del sole come lente gravitazionale. Il primo è relativo al puntamento e alla lunghezza focale. L'idea è di posizionare un veicolo spaziale sul lato opposto del sole rispetto all'esopianeta, ma non può trovarsi esattamente nel punto focale in cui converge la luce dell'esopianeta.

Questo perché qualsiasi immagine verrebbe oscurata dalla luce del sole, che sarebbe comunque l'oggetto più luminoso del cielo. Invece, il veicolo spaziale si troverebbe oltre il punto focale in cui la luce dell'esopianeta formerebbe un anello di Einstein attorno al sole. È questo anello che la missione dovrebbe provare.

Ma non è solo il sole che può oscurare l'immagine. Anche la corona solare, l'aura di plasma che circonda il sole, è un problema, e questo si estende molto oltre. Per garantire che l'anello di Einstein sia più grande della corona e non oscurato da essa, la missione dovrebbe sedersi ancora più lontano, a una distanza di oltre 2.000 UA, afferma Landis. Questo è molto più lontano dei 550 UA suggeriti dalle analisi precedenti.

È semplice dimostrare che questa missione può avere un solo obiettivo. Per puntare un oggetto diverso a solo 1 grado di distanza, il telescopio dovrebbe spostarsi di almeno 10 AU attorno al sole, equivalente alla distanza dalla Terra a Saturno. Una differenza significativa della lente gravitazionale solare da un telescopio convenzionale è che il telescopio della lente gravitazionale non è in alcun senso pratico puntabile, dice Landis.

Ma dato un obiettivo specifico, la potenza focale del sole produce una vista estremamente ingrandita. Per dimostrarne il potenziale, Landis utilizza l'ipotetico esempio di un esopianeta in orbita attorno a una stella distante circa 35 anni luce. Se questo pianeta avesse le stesse dimensioni della Terra, l'immagine sul piano focale del sole sarebbe di 12,5 chilometri di diametro.

Quindi la missione ha potuto vedere solo una piccola frazione della superficie del pianeta. In effetti, un telescopio con un rivelatore di un metro immaginerebbe un'area di un chilometro quadrato sulla superficie del pianeta, che è più piccola del Central Park di New York.

Puntare un telescopio in un'area così piccola e distante è difficile. Non ci può essere un cercatore su un tale telescopio perché il bersaglio sarebbe invisibile tranne quando si usa l'obiettivo gravitazionale. Quindi la posizione dell'esopianeta dovrà essere conosciuta con alta precisione.

Anche allora, indicarlo non sarà banale. Trovare un pianeta di diametro ~10^4 km a una distanza di 10^14 km richiede una conoscenza del puntamento e una precisione di puntamento di 0,1 nanoradianti, afferma Landis. La precisione di puntamento all'avanguardia è oggi di circa 10 nanoradianti.

Ma questo è solo l'inizio. L'esopianeta si muoverà mentre orbita attorno alla sua stella. Landis analizza cosa accadrebbe se l'esopianeta avesse la stessa velocità orbitale della Terra, 30 km/sec. In tal caso, una sezione di un chilometro del pianeta attraverserà un rilevatore di un metro in soli 33 millisecondi e l'intero pianeta scivolerà oltre in 42 secondi.

Sarà difficile prevenire la sfocatura spostando il telescopio per seguire l'immagine. Landis afferma che il veicolo spaziale dovrà cambiare la sua velocità di 30 metri al secondo per tenere il passo e che nel corso di un anno seguirà un'ellisse con un semiasse maggiore di circa 150.000 chilometri. Non è chiaro quale tipo di sistema di propulsione sarebbe in grado di farlo.

L'alternativa, ovviamente, è utilizzare tecniche di elaborazione delle immagini per rimuovere la sfocatura, cosa sempre più fattibile con la tecnologia odierna.

Un altro grosso problema è filtrare la luce dal sole, per non parlare della stella madre dell'esopianeta, che sarà di ordini di grandezza più luminosa del bersaglio. Il telescopio dovrà anche ridurre al minimo le interferenze da altre fonti come la luce zodiacale. Sono stati fatti molti sforzi in questo per l'attuale generazione di telescopi per la caccia al pianeta. Tuttavia, dice Landis, questo non è un problema banale.

Dati tutti questi problemi, quanto è migliore l'immagine di una lente gravitazionale rispetto a un'immagine senza obiettivo? La stima di Landis è che l'obiettivo aumenti l'intensità della luce dall'esopianeta di un fattore 100.000.

Questo è un vantaggio significativo. Ma può essere realizzato solo se la luce dell'esopianeta può essere ben separata dalla luce di altre sorgenti come il sole, la corona, la stella madre e così via. E questa è una grande incognita.

L'utilità della missione dipende da questo. Date tutte le difficoltà, vale la pena andare oltre i 600 UA per guadagnare solo un fattore di 100.000? È abbastanza? chiede Landis.

Questa è una domanda che gli astronomi, le agenzie di finanziamento e il pubblico in generale dovranno considerare in dettaglio. Landis non suggerisce che una tale missione debba essere intrapresa ora o sia addirittura possibile o abbordabile. Ma la sua analisi ha sicuramente alzato la posta in gioco.

Andando oltre, sembra difficile sottovalutare il significato di trovare un analogo terrestre che abbia il potenziale per sostenere la vita. L'idea di mappare le aree su questo pianeta di appena un chilometro sarà una potente motivazione.

Sulla Terra, questo tipo di immagine rivelerebbe isole, fiumi, parchi, grandi mura, autostrade, città e così via. Forse un veicolo spaziale seduto al centro gravitazionale di una stella lontana sta rivelando queste cose proprio ora a una popolazione aliena incantata. Basta immaginare.

Rif: arxiv.org/abs/1604.06351 : Missione al fuoco gravitazionale del sole: un'analisi critica

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