私たちは現在、太陽系外に 5,000 以上の太陽系外惑星を知っています。しかし、これらの世界のそれぞれについて私たちが本当に理解していることは、ほとんど何もありません.それらのほとんどは、軌道を回る星の前を横切るとき、影から間接的にしか見られませんでした.研究者が実際に写真を撮ることができた、つまり、惑星自体から発せられる光を使用して直接画像化した少数のものは、現在の最高の望遠鏡を使用しても、単色の点にすぎません。これまでのところ、これらの直接画像化された世界はすべて、知られている系外惑星の中で最も明るく、最大で、最も地球に似ていません。
遠い未来は別の問題かもしれません。遠く離れた系外惑星、特に地球のように小さくて岩石の多い系外惑星の写真は、どの程度詳細に描写できるでしょうか?その答えは、いつの日か天文学者が、大陸、雲、海、氷冠、さらには異星人の星を周回する遠く離れた地球のような世界の植生を明らかにする画像を取得できるということです.
問題は、このタスクに最も強力な望遠鏡を構築できないことです。代わりに、アインシュタインの一般相対性理論の教義を使用して、私たちの太陽を星サイズの拡大鏡に変える必要があります。重力は時空の曲率として理解できるというアルバート アインシュタインの重要な洞察は、星やその他の巨大な物体が、背景の物体からの光をゆがめたり増幅したりする自然な「重力レンズ」として機能することを意味します。
今日の天文学者は、銀河や銀河団を重力レンズとして日常的に使用していますが、この技術を太陽に使用するという見通しは非常に多くの課題を提起するため、ほとんどの研究者は真剣に取り組んでいません.最も注目すべきは、このアプローチでは、特定のターゲットのレンズで増幅された光が焦点を結ぶポイントに、従来の望遠鏡 (たとえば、ハッブル望遠鏡など) を正確に配置する必要があることです。太陽の場合、これらの焦点は太陽系の最も外側にあり、冥王星よりも少なくとも 14 倍離れています。
現在、スタンフォード大学の天文学者による新しい研究は、太陽を宇宙望遠鏡として使用することにより、太陽系外惑星を画像化するという依然として困難な作業を簡素化する近道が存在する可能性があることを示しています。 Astrophysical Journal に掲載された研究 、天文学者は最終的に、超大質量ブラックホールの歴史的な最初の画像をキャプチャするために使用されたイベントホライズンテレスコープの解像度の1,000倍の解像度で系外惑星の画像化を達成できることを示唆しています. 「これを系外惑星の研究プロセスの究極のエンドゲームと考えるのは素晴らしいことです」と、論文の共同執筆者であるスタンフォードの天体物理学者であるブルース・マッキントッシュは言います。
マッキントッシュの共著者で大学院生のアレックス・マデュロウィッツは、最初に地球の実際の衛星画像をコンピュータ モデルに入力し、恒星の重力レンズを通して遠くから見た場合の世界に縮小しました。ほとんどの場合、結果として得られる画像は「アインシュタイン リング」になります。これは、レンズ作用のある星の周りを曲がる惑星の光によって生成される歪んだ円形の汚れです。別の研究者である NASA ジェット推進研究所の Slava Turyshev による以前の研究では、これらの歪みを修正するには、太陽系の端にある焦点領域内で従来の集光望遠鏡を系統的に前後に動かす必要があることが示されていました。 800 億キロメートル以上離れた地球から何らかの方法で振り付けられた、惑星のゆがんだ投影の結果として得られるピクセルごとのスキャンは、数千時間かかり、膨大な量の燃料を消費する可能性があります。
マドゥロウィッツとマッキントッシュは、太陽が完全な球形ではなく、わずかに楕円形であることを考えると、この厳しい計算が変わる可能性があることに気付きました。その小さな詳細は、焦点領域望遠鏡から見たときに、ターゲットの太陽系外惑星が太陽の赤道と完全に一致する場合、製品はアインシュタイン リングではなく、太陽の周囲の惑星の 4 つの非対称コピーである「クロス」であることを意味します。 Madurowicz は、この非対称性を利用すれば、対象の太陽系外惑星の歪みのない画像を再構築するためのスキャン プロセスを省略できることを発見しました。 「望遠鏡を画像内で動かす必要はありません」と彼は言います。 「一か所にとどまることができます。」
この最新の研究には参加していない Turyshev は、彼が最初に説明した骨の折れるスキャンのプロセスが実際に省略できることに懐疑的です。 Macintosh と Madurowicz が提案する画像再構成の理想化された技術は、太陽の明るさと、コロナとして知られるその熱気を帯びた外気から生じる可能性のある干渉を克服する必要があると彼は言います。 「太陽が暗くなればいいのにね？」トゥリシェフは言う。しかし、もちろんそうではありません.最高の機器でさえ、その光の一部が望遠鏡に滴り落ちるのを完全にブロックすることはできませんでした.特に私たちの星を直接見つめているもの. 「彼らの論文は素晴らしいですが、それは理論です」と彼は付け加えます。
スキャン プロセスを省略できたとしても、他にも考慮すべき制限事項があります。太陽重力レンズ効果の対象となる各太陽系外惑星には、おそらく、太陽系の外側の限界に送られ、そこで操作される専用のハッブルのような宇宙望遠鏡が必要になるでしょう。たとえば、そのような天文台が、最初のターゲットからわずか 10 度ずれている 2 つ目の太陽系外惑星を撮影するには、その位置を太陽の周りで 140 億キロメートル以上移動させる必要があります。 「太陽重力レンズを使用するには、望遠鏡、太陽、惑星を非常に正確に並べる必要があります」とマドゥロウィッツは言います。 1 つの望遠鏡で、一度に複数の惑星や複数の興味深い世界を持つ 1 つの星系を撮影する方法はありません。
パリ天文台の天文学者であるジーン・シュナイダーが太陽重力レンズ効果に代わる別の、おそらくより実現可能な方法である超望遠鏡に目を向けているのは、この限界があるからです。この幅広い概念は、宇宙に設置された多くのメートルスケールの鏡を編隊飛行させて、これまでにないほど大きな仮想望遠鏡を作成することで、太陽系外惑星の表面の特徴を検出することを想定しています。 Schneider は、潜在的な地球外植生の直接画像が「貴重」であり、他の知られている遠隔観測方法では得られない洞察を提供することに同意します.
NASA ゴダード宇宙飛行センターの天体物理学者であるアキ ロバージは、天文学者は、私たちのような別の世界が存在するかどうかさえ知らないと指摘します。海、大陸、大気、生物圏などです。」そして、直接画像化することが、実際に発見する唯一の方法であるようです.
米国科学アカデミー、工学医学アカデミーのレポートで推奨されている観測所の提案 天文学と天体物理学における発見への道 Astro2020 Decadal Survey としても知られる 2020 年代の調査は、Roberge と彼女の仲間に必要な答えを与えるための最良の短期的な希望を提供するかもしれません。この調査は、米国の天文学を導く 10 年に一度のロードマップとして機能します。そして、その最新のロードマップの頂点にあるのは、幅 6 メートルを超えるミラーを備えた宇宙望遠鏡のコンセプトであり、光学、赤外線、紫外線を収集するように調整された「スーパー ハッブル」のようなもので、早ければ 2040 年代初頭に打ち上げられる予定です。
Astro2020 の推奨事項によると、そのような望遠鏡のコア機能の 1 つは、環境条件についてより良い推測を行うために大気を研究することを主な目的として、さまざまな系外惑星を直接画像化することです。そこから、天文学者は、私たちが知っている生命の化学的必需品または副産物 (水、有機化合物、遊離酸素など) が、対象となる世界のいずれかに存在するかどうかを判断する可能性があります。この提案された望遠鏡によって画像化される可能性のあるぼやけた塊は、生命を宿す太陽系外惑星の可能性を真に知るための最初の小さなステップになる可能性があります。ほとんどの天文学者は、そのようなミッションの後にのみ、超望遠鏡を構築したり、太陽重力レンズを利用して詳細な表面画像を取得したりするという大きな飛躍を遂げることができたと述べています。 「私たちには2040年代への道があります。その後は、ワイルド ウェストです」とロベルジュは言います。
太陽重力レンズの遠方の性質にもかかわらず、Turyshev、Macintosh、および Madurowicz の考えは一致しています。その可能性について今考える価値はあります。ソーラーセイルやその他の型にはまらない推進技術の進歩により、太陽系の最外縁部への必要な旅を早めることができる可能性があります。課題は依然として困難ですが、私たちの星を究極の望遠鏡として使用することは、誰もが考えているよりも現実に近いかもしれません.このアプローチの理論的および実際的な限界を予測することにより、それが最終的に私たちの理解の範囲内にあるとき、またはその場合、問題は「これを行うことができるか」である必要はありません。むしろ「どの惑星をイメージすべきか?」
