Wissenschaftler beschreiben ein Gravitationsteleskop, das Exoplaneten abbilden könnte

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1992 haben Astronomen mehr als 5.000 Planeten entdeckt, die andere Sterne umkreisen. Aber wenn Astronomen einen neuen Exoplaneten entdecken, erfahren wir nicht viel darüber: Wir wissen, dass er existiert und einige Merkmale über ihn, aber der Rest ist ein Rätsel.

Um die physikalischen Grenzen von Teleskopen zu umgehen, haben Astrophysiker der Stanford University an einer neuen konzeptionellen Bildgebungstechnik gearbeitet, die 1.000-mal präziser wäre als die derzeit stärkste Bildgebungstechnologie. Indem sie sich den verzerrenden Effekt der Schwerkraft auf die Raumzeit, Linsenbildung genannt, zunutze machen, könnten Wissenschaftler dieses Phänomen möglicherweise manipulieren, um Bildgebung zu erstellen, die weitaus fortschrittlicher ist als alle heutigen.

In einem am 2. Mai veröffentlichten Papier Das Astrophysikalische Journal, beschreiben die Forscher einen Weg, um die solare Gravitationslinse zu manipulieren, um Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu sehen. Durch die Positionierung eines Teleskops, der Sonne und des Exoplaneten in einer Linie mit der Sonne in der Mitte könnten Wissenschaftler das Gravitationsfeld der Sonne nutzen, um das Licht des vorbeiziehenden Exoplaneten zu vergrößern. Im Gegensatz zu einer Lupe, die eine gekrümmte Oberfläche hat, die Licht beugt, hat eine Gravitationslinse eine gekrümmte Raumzeit, die es ermöglicht, weit entfernte Objekte abzubilden.

„Wir wollen Bilder von Planeten machen, die andere Sterne umkreisen, die so gut sind wie die Bilder, die wir von Planeten in unserem eigenen Sonnensystem machen können“, sagte Bruce Macintosh, Physikprofessor an der School of Humanities and Sciences in Stanford and stellvertretender Direktor des Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC). „Mit dieser Technologie hoffen wir, ein Bild von einem 100 Lichtjahre entfernten Planeten zu machen, das die gleiche Wirkung hat wie das Bild der Erde von Apollo 8.“

Der Haken ist derzeit, dass ihre vorgeschlagene Technik eine fortgeschrittenere Raumfahrt erfordern würde, als derzeit verfügbar ist. Das Versprechen dieses Konzepts und dessen, was es über andere Planeten enthüllen könnte, macht es jedoch wert, weiter in Betracht gezogen und weiterentwickelt zu werden, sagten die Forscher.

Die Vorteile des leichten Biegens

Gravitationslinsen wurden erst 1919 während einer Sonnenfinsternis experimentell beobachtet. Da der Mond das Licht der Sonne behinderte, konnten Wissenschaftler Sterne in der Nähe der Sonne sehen, die von ihren bekannten Positionen versetzt waren. Dies war der eindeutige Beweis dafür, dass die Schwerkraft Licht beugen kann, und der erste Beobachtungsbeweis dafür, dass Einsteins Relativitätstheorie richtig war. Später, im Jahr 1979, veröffentlichte von Eshleman, ein Stanford-Professor, einen detaillierten Bericht darüber, wie Astronomen und Raumfahrzeuge die Gravitationslinse der Sonne nutzen könnten. (In der Zwischenzeit nutzen Astronomen, darunter viele am KIPAC in Stanford, routinemäßig die starke Schwerkraft der massereichsten Galaxien, um die frühe Entwicklung des Universums zu untersuchen.)

Aber erst 2020 wurde das bildgebende Verfahren im Detail erforscht, um Planeten zu beobachten. Slava Turyshev vom Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology beschrieb eine Technik, bei der ein weltraumgestütztes Teleskop Raketen verwenden könnte, um die Lichtstrahlen eines Planeten zu scannen, um ein klares Bild zu rekonstruieren, aber die Technik würde viel Treibstoff und Zeit erfordern.

Aufbauend auf Turyshevs Arbeit hat Alexander Madurowicz, ein Ph.D. Student am KIPAC, erfand eine neue Methode, mit der die Oberfläche eines Planeten aus einem einzigen Bild rekonstruiert werden kann, das mit direktem Blick auf die Sonne aufgenommen wurde. Durch die Erfassung des Lichtrings um die Sonne, der vom Exoplaneten gebildet wird, kann der von Madurowicz entwickelte Algorithmus das Licht des Rings entzerren, indem er die Biegung der Gravitationslinse umkehrt, die den Ring wieder in einen runden Planeten verwandelt.

Madurowicz demonstrierte seine Arbeit anhand von Bildern der rotierenden Erde, die vom Satelliten DSCOVR aufgenommen wurden, der sich zwischen Erde und Sonne befindet. Dann verwendete er ein Computermodell, um zu sehen, wie die Erde aussehen würde, wenn man durch die verzerrenden Effekte der Schwerkraft der Sonne spähte. Durch die Anwendung seines Algorithmus auf die Beobachtungen konnte Madurowicz die Bilder der Erde wiederherstellen und beweisen, dass seine Berechnungen korrekt waren.

Um ein Exoplanetenbild durch die Gravitationslinse der Sonne aufzunehmen, müsste ein Teleskop mindestens 14-mal weiter von der Sonne entfernt aufgestellt werden als Pluto, am Rand unseres Sonnensystems vorbei und weiter, als Menschen jemals ein Raumschiff geschickt haben. Aber die Entfernung zwischen der Sonne und einem Exoplaneten beträgt nur einen winzigen Bruchteil der Lichtjahre.

„Indem das von der Sonne gebeugte Licht geglättet wird, kann ein Bild erzeugt werden, das weit über das eines gewöhnlichen Teleskops hinausgeht“, sagte Madurowicz. „Das wissenschaftliche Potenzial ist also ein ungenutztes Rätsel, weil es diese neue Beobachtungsmöglichkeit eröffnet, die es noch nicht gibt.“

Sehenswürdigkeiten jenseits des Sonnensystems

Um einen Exoplaneten mit der von den Wissenschaftlern beschriebenen Auflösung abzubilden, bräuchten wir derzeit ein Teleskop, das 20-mal breiter ist als die Erde. Indem sie die Schwerkraft der Sonne wie ein Teleskop nutzen, können Wissenschaftler diese als massive natürliche Linse nutzen. Ein Hubble-großes Teleskop in Kombination mit der Gravitationslinse der Sonne würde ausreichen, um Exoplaneten mit genügend Leistung abzubilden, um feine Details auf der Oberfläche zu erfassen.

„Die Sonnengravitationslinse eröffnet ein völlig neues Fenster für die Beobachtung“, sagte Madurowicz. „Dies wird die Untersuchung der detaillierten Dynamik der Planetenatmosphäre sowie der Verteilung von Wolken und Oberflächenmerkmalen ermöglichen, die wir derzeit nicht untersuchen können.“

Madurowicz und Macintosh sagen beide, dass es mindestens 50 Jahre dauern wird, bis diese Technologie eingesetzt werden kann, wahrscheinlich länger. Damit dies angenommen werden kann, benötigen wir schnellere Raumfahrzeuge, da es mit der aktuellen Technologie 100 Jahre dauern könnte, bis es zur Linse gelangt. Mit Sonnensegeln oder der Sonne als Gravitationsschleuder könnte die Zeit nur 20 oder 40 Jahre betragen. Trotz der Ungewissheit der Zeitlinie treibt die Möglichkeit, zu sehen, ob einige Exoplaneten Kontinente oder Ozeane haben, sie an, so Macintosh. Das Vorhandensein von beidem ist ein starker Hinweis darauf, dass es möglicherweise Leben auf einem fernen Planeten gibt.

„Dies ist einer der letzten Schritte, um herauszufinden, ob es Leben auf anderen Planeten gibt“, sagte Macintosh. „Indem Sie ein Foto von einem anderen Planeten machen, könnten Sie ihn betrachten und möglicherweise grüne Flecken sehen, die Wälder sind, und blaue Flecken, die Ozeane sind – damit wäre es schwer zu argumentieren, dass er kein Leben hat.“