Hvad gør man, hvis vi opdager en planet mange lysår borte med rigtig gode muligheder for liv?
Det er ikke muligt at sende en rumsonde af sted for at se nærmere på planeten. En rumsonde vil være mange hundrede år undervejs, og når den så endelig når frem, vil den fare forbi planeten med så stor fart, at der slet ikke er tid til en grundig undersøgelse.
Det er en langt bedre ide at bygge et teleskop, som selv på en planet 100 lysår borte kan se detaljer som have, kontinenter, bjerge og måske endda byer. Det lyder som en umulig opgave, da det vil kræve et spejl langt større end Jorden, men her har naturen hjulpet os godt.
For selve Solen kan bruges som linse i, hvad man roligt kan kalde det ultimative teleskop. Det største problem er, at teleskopet skal placeres i solsystemets yderste udkant langt udenfor Plutos bane.
Planerne har været diskuteret i årevis, og i marts blev de endda fremlagt af en gruppe videnskabsmænd fra NASA på konferencen Planetary Science Vision 2050 Workshop, som blev afholdt i Washington.
En 100 år gammel ide
Det er nu lidt mere end 100 år siden, Einstein fremsatte sin almene relativitetsteori i 1915, hvor han viste, hvordan et tyngdefelt kan krumme selve rummet. Solen har et stærkt tyngdefelt, så rummet omkring Solen måtte derfor ifølge Einstein også være krumt.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient’er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 40 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen ‘Det levende Univers‘ og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet ‘Stubberne’.
Det er ikke bare teori, men noget som direkte kan måles. Lys følger jo normalt en ret linje, men når selve rummet krummer, så krummer lysets bane med – og det får stjerner til at flytte sig på himlen. Ved en total solformørkelse er det muligt at se stjerner, hvor lyset har passeret meget tæt forbi Solen, før det nåede ned til os.
Tæt på Solen er tyngdekraften og dermed rummets krumning størst. Herinde kan Solen afbøje lyset så meget, at vi direkte kan måle, at stjernerne flytter sig på himlen. De første målinger af denne art blev foretaget ved en solformørkelse i 1919, og de bekræftede fuldstændigt Einsteins beregninger.
Målingerne gjorde Einstein meget berømt, men rummets krumning var et nyt begreb, som man lige skulle vænne sig til. Først i 1936 skrev Einstein en kort artikel, hvori han viste, at Solen, ligesom alle andre stjerner, vil virke som en linse ved at afbøje lyset. Den almindelige mening var dog, at denne linseeffekt ikke ville have nogen praktisk betydning for astronomerne.
Kun en enkelt astronom havde en anden mening. Det var Fritz Zwicky, som allerede i 1937 påpegede, at de meget stærke tyngdefelter fra hele galakser kunne gøre det muligt at observere linseeffekten. Han havde ret, men vi skal frem til 1979 før linseeffekten første gang blev observeret. En galakse 3,7 milliarder lysår borte havde afbøjet lyset fra en fjern kvasar 8,7 milliarder lysår borte. Men at gravitationslinser ikke er helt det samme som linser fremstillet af glas fremgår af, at vi fik to billeder af kvasaren.
Siden da har astronomerne i høj grad udnyttet denne linseeffekt til at studere meget fjerne kvasarer og galakser, som ellers ville være umulige at observere. Men det er ikke pæne billeder, man får. De er normalt forvrængede, så en fjern galakse ses som en bue på himlen – helt efter teorien.
Tilbage til Solen
Vi kan jo ikke bruge fjerne galakser til linser, når målet er at studere exoplaneter højst et par hundrede lysår borte. Her er det nødvendigt at bruge Solen som linse, og det er ikke helt uden problemer.
I en almindelig linse dannes billedet i brændpunktet, men gravitationslinser afbøjer lys på en lidt anden måde. Således har Gravitationslinser nemlig ikke noget brændpunkt, men en brændlinje, der begynder i et bestemt punkt. Til gengæld dannes der billeder i ethvert punkt på brændlinjen.
For Solen begynder brændlinjen i en afstand fra Solen på lidt over tre lysdøgn. Til sammenligning kan nævnes, at Plutos nuværende afstand fra Solen er 5,3 lystimer. Før Solen overhovedet begynder at danne billeder, skal vi altså næsten 15 gange længere væk fra Solen end Pluto.
Men vi skal i virkeligheden meget længere væk – næsten 12 lysdøgn fra Solen, og dermed et godt stykke ud ad brændlinjen. For de billeder, der dannes i en kortere afstand end 12 lysdøgn fra Solen, skjules af Solens ydre atmosfære, den såkaldte korona. Først i en afstand på 12 lysdøgn dannes billederne så langt fra selve Solen, at koronaen ikke generer.
En lang rejse
Astronomerne er vant til at anbringe deres teleskoper i fjerne egne, hvor himlen er klar. Men her taler vi om at sende et teleskop mindst 300 milliarder kilometer ud i rummet, en rejse som får rejsen til Pluto til at virke som et lille smut til nabolaget.
Den rumsonde, som har rejst længst ud i rummet, er Voyager 1, der blev opsendt for 40 år siden. Med en afstand til Solen på 20 lystimer er den et godt stykke uden for Plutos bane, men den har stadig kun tilbagelagt syv procent af vejen til det første sted, vi kan anbringe vort teleskop. Så er det nemt at beregne, at der stadig er 540 år til, at Voyager kommer ud til det sted, hvor teleskopet kan placeres.
Det er jo lidt længe at vente, og den eneste løsning er at bygge en rumsonde, som er langt hurtigere end de rumsonder, vi kender i dag. Hvis vi ønsker en mere overkommelig rejsetid på måske 30 år, så skal rumsonden have en fart på 300 kilometer i sekundet, hvilket er 20 gange hurtigere end hidtil hurtigste rumsonde, New Horizons, der fløj forbi Pluto i 2015.
At komme op på en sådan fart er en stor udfordring. En løsning er en atomdrevet ionmotor, en anden er brug af solsejl. I dette tilfælde starter man med at sende sonden indad mod Solen. Tæt på Solen, hvor sollyset er stærkt, foldes sejlet ud, og det kan give sonden et så stort skub, at den sendes ud i rummet med meget stor fart.
Store udfordringer – og stor belønning
Men belønningen ved at bruge Solen som linse er så stor, at forsøget nok vil blive gjort. Men det vil hurtigt blive klart, at det at få sendt teleskopet ud måske er den mindste af de udfordringer, vi står overfor.
Vi er nemlig så langt fra Solen, at den kun er en meget klar stjerne på himlen. Der vil gå over tre uger fra teleskopet sender et signal til Jorden om et problem, til den modtager svar fra Jorden. Det betyder, at vort teleskop skal være udstyret med en betydelig kunstig intelligens, og i høj grad skal kunne klare sig selv. I praksis vil det være umuligt på forhånd at planlægge et helt detaljeret forskningsprogram, så det bliver en af de vigtigste opgaver for den kunstige intelligens – ud over at løse de problemer, som altid vil opstå undervejs.
Teleskopet vil ikke se pæne billeder af en fjern planet, men nogle forvrængede buer tæt på Solen. Ud fra disse buer er det muligt med en hel del databehandling at skabe de kort over planeten, som jo er hele formålet med teleskopet. Til gengæld forsvinder billedet ikke, selv om rumsonden fortsætter med at flyve bort fra Solen, da begrebet brændpunkt er erstattet af brændlinje.
Den første udfordring for den kunstige intelligens bliver at finde planeten. Det er lettere sagt end gjort, fordi planeten jo kredser om sin stjerne, og synsfeltet mildest talt ikke er ret stort. Der er to problemer:
- Det første er, at teleskopet skal sigte lige mod Solen. For at linseeffekten kan virke, skal planeten nemlig stå lige bag Solen. Selv om Solen er langt borte, så lyser den mere end stærkt nok til helt at blænde de meget følsomme kameraer på teleskopet. Det er derfor nødvendigt at beskytte kameraerne fra Solens lys med en særlig skærm, der netop dækker Solen.
- Et andet og langt større problem er, at planeten ikke ligger stille, men bevæger sig hen over synsfeltet på få minutter eller endda få sekunder. Det ringformede billede, som dannes udenfor koronaen, kaldes en Einstein Ring, og teleskopet skal på en ret kompliceret måde skanne hen over ringen for at få hele overfladen med. Desuden flytter planeten sig hele tiden, og den bevægelse skal teleskopet også tage højde for.
Geoffrey Landis fra NASA har regnet en del på disse problemer. En planet på størrelse med Jorden 35 lysår borte vil få dannet et billede på 12,5 kilometer i diameter, som så strækkes ud til en ring.
Et lille spejl på bare en meter på teleskopet vil kunne se meget fine detaljer – Landis nævner selv, at det skulle være muligt at se et areal på størrelse med Central Park i New York. Men på grund af planetens bevægelse vil dette areal passere ud af synsfeltet på bare 33 millisekunder, mens hele planeten vil glide ud af synsfeltet på 42 sekunder. Den kunstige intelligens vil sandelig få nok at se til!
Til gengæld forstærker sollinsen det meget svage lyse fra den fjerne planet ikke mindre end 100.000 gange.
Universet venter
Den bedste måde at forestille sig Solens linseeffekt på, er at Solen sidder i centrum af en stor kugle med en radius på 12 lysdøgn. I hver eneste retning uden for denne kugle er det muligt at danne billeder af de planeter, stjerner og galakser, som står lige bag Solen.
Vi skal dog ikke regne med, at astronomien nu rykker helt ud i det store mørke på den anden side af Plutos bane. Alene økonomien vil sætte en grænse, og så er der et helt andet problem. Et teleskop, der bruger Solen, er nødt til at være rettet direkte mod Solen, da man kun kan udnytte linseeffekten for de planeter, stjerner og galakser, der gemmer sig direkte bag Solen.
Hvis vi vil se noget i en anden retning, bliver det derfor nødvendigt at flytte teleskopet.
En beregning viser, at hvis et teleskop skal flytte sin opmærksomhed fra en exoplanet til en anden kun en grad borte, så skal teleskopet bevæge sig en afstand svarende til afstanden mellem Solen og Saturn. Det vil kræve en hel del brændstof, nok langt mere end en rumsonde kan tænkes at medføre.
Det bliver et problem, at hver exoplanet vil kræve sin egen rumsonde placeret i præcis den rigtige retning, så derfor vil brugen af sollinser blive meget begrænset af rent økonomiske årsager.
Det mest sandsynlige er, at vi kun vil bruge teknikken over for planeter, som viser alle mulige tegn på at have liv, og måske endda intelligent liv.
En anden og meget spændende mulighed er at bruge linseeffekten til at forstærke radiosignaler – enten signaler, vi modtager fra en anden civilisation, eller signaler vi selv sender af sted. Hvem ved, måske er det denne teknik, der anvendes af avancerede civilisationer til at sende signaler fra den ene side af Mælkevejen til den anden?
