Saule varētu kļūt par gigantisku teleskopa lēcu

Ja pie kādas ziņas par jaunatklātu citplanētu redzi krāšņu, augstas izšķirtspējas attēlu ar šo planētu, tad vari būt drošs – tā nav ar teleskopu uzņemta šīs planētas fotogrāfija, bet gan mākslinieka interpretācija par to, kāda šī pasaule varētu izskatīties. Eksoplanētas jeb citplanētas ir tās planētas, kuras atrodas aiz Saules sistēmas robežām, proti, ārkārtīgi tālu. Pretēji zvaigznēm, šīs planētas ir nelieli un visnotaļ tumši objekti kosmosa plašumos, tādēļ tieši novērojumi ir ārkārtīgi izaicinošs uzdevums.

Šobrīd planētas astronomi fiksē galvenokārt ar tā dēvēto tranzīta jeb pārejas metodi. Tās pamatā ir periodiskas izmaiņas zvaigznes spožumā. Zvaigzne tiek novērota ilgāku laiku. Ja no novērotāja (teleskopa) skatu punkta raugoties, zvaigzne uz mirkli kļūst blāvāka, tad atkal atgūst iepriekšējo spožumu, viena no iespējām ir tāda, ka minētajā brīdī starp novērotāju un zvaigznes disku nostājies kāds objekts. Iespējams – ap zvaigzni riņķojoša citplanēta. Uzreiz gan to apgalvot nevar, jo izmaiņas zvaigznes spožumā var izraisīt arī citi notikumi. Objekts, kas uz mirkli daļēji aizsedz zvaigzni teleskopa skatam, var nebūt planēta, bet gan asteroīdu kopa.

Ja ir labs pamats pieņemt, ka novērotais objekts tiešām varētu būt planēta, to pašu objektu novēro ar citu instrumentu un, vēlams, izmantojot citu metodi, piemēram, radiālā ātruma metodi. Šajā gadījumā astronomi lūko pēc niecīgām zvaigznes svārstībām, kuras rada ap to orbītā riņķojošais objekts. Kad divi objekti – šajā gadījumā zvaigzne un planēta – ir ar gravitāciju sasaistīti, tie riņķo ap kopīgu smaguma centru (nevis vienkārši mazāk masīvais objekts ap masīvāko). Tādēļ šādā sistēmā nedaudz svārstās arī pati zvaigzne, kas rezultātā ietekmē arī veidu, kā pie mums nonāk zvaigznes izstarotā gaisma. Proti, Doplera efekta ietekmē mainās no zvaigznes izstarotās gaismas viļņa garums. Ja zvaigzne no novērotāja attālinās, spektrāllīnijas nobīdās uz garo viļņu pusi un radiālais ātrums ir pozitīvs. Ja zvaigzne tuvinās, nobīde ir mazāku viļņa garumu virzienā un radiālais ātrums negatīvs. Ja šīs spektrāllīniju nobīdes ir periodiskas, tad ir labs pamats pieņemt, ka ap zvaigzni riņķo kāds masīvs objekts, iespējams, planēta.

Šīs metodes ļauj aplēst planētas aptuveno izmēru, masu, ātrumu, reizēm arī temperatūru. Atsevišķos gadījumos, analizējot cauri šīs planētas atmosfērai izstarotās gaismas spektru, var šo to uzzināt arī par atmosfēras ķīmisko sastāvu. Taču ar pašreiz pieejamajām tehnoloģijām detalizētu informāciju par citplanētām ir grūti iegūt.

^{Foto: ESO/Bohn et al., CC BY 4.0 , via Wikimedia Commons}

Liels palīgs šajā jomā būs Džeimsa Veba kosmiskais teleskops, kas zinātnisko darbību uzsāks vasarā, tomēr arī ar to gluži tādas citplanētu bildes, kādas redzam mākslinieku ilustrācijās, neiegūsim. Tam vajadzētu teleskopu ar daudz, daudz lielāka diametra lēcu. Burtiski prāvas planētas izmērā. Taču, pateicoties gravitācijai, šādas lēcas eksistē jau dabā.

Gravitācijas lēcu efekts astronomiem ir labi zināms. Ja raugās uz kādu tālu zvaigzni cauri konkrētiem Visuma reģioniem, tad, vienkāršoti runājot, šo zvaigzni var redzēt divreiz vai reizēm izstarotā gaisma tiek būtiski pastiprināta. No zvaigznes nākošā gaisma iet cauri kaut kam smagam, kam piemīt gravitācija un ko mēs neredzam. "Gaisma liecas šai lietai pāri, jo gravitācija, kā zinām, rada izliekumu kosmosa laiktelpā. Šis izliekums rada efektu, ka vienu un to pašu zvaigzni redzam divreiz," "Campus" skaidroja Latvijas zinātnieku grupas vadītājs CERN Kārlis Dreimanis. Šo efektu tad arī dēvē par gravitācijas lēcu ("gravitational lensing"), un bieži vien tas palīdzējis astronomiem veikt fantastiskus atklājumus. Piemēram, vēl nesen ar Habla teleskopu gaismu no tālākās jebkad novērotās zvaigznes nebūtu iespējams uztvert bez gravitācijas lēcas radītā pastiprinājuma. Šādu efektu var iegūt arī, izmantojot Saules gravitāciju, turklāt tas neprasītu nekādus fundamentāli atšķirīgus un jauna tipa teleskopus.

Idejas par Saules gravitācijas lēcu izskan laiku pa laikam. Šoreiz veiktas jau praktiskas simulācijas – divi Stenforda Universitātes fiziķi, Aleksandrs Madurovics un Brūss Makintošs tālāk attīstījuši 2020. gadā Kalifornijas Tehnoloģiju institūta zinātnieka Slavas Turiševa aizsāktu pētījumu virzienu. Proti, viņi izstrādājuši algoritmu, kas no šādas gravitācijas lēcas izkropļotas gaismas var rekonstruēt jau saprotamu attēlu.

Novērotājam, objektam un gravitācijas lēcai izkārtojoties perfekti taisnā līnijā, gaisma no šī objekta novērotājam būs redzama kā riņķis. To dēvē par Einšteina gredzenu vai Einšteina-Hvolsona gredzenu. Lūk, šeit piemērs, kā tas izskatās dabā – šajā ar Habla teleskopu uzņemtajā attēlā zilie loki gar malām ir galaktika, kuras izstaroto gaismu izkropļo gravitācija no priekšā esošās galaktiku kopas. Šis ir viens no populārākajiem piemēriem, kad iemūžināts gravitācijas lēcas efekts, jo rezultāts ir ne tikai zinātniski zīmīgs, bet arī vizuāli uzrunājošs – daudzi šajā attēlā saskata smaidīgas "sejiņas" aprises.

Līdzīgi varētu izskatīties gaisma no kādas tālas citplanētas, ja par gravitācijas lēcu izmantotu Sauli. Lai konceptu iztestētu, Stenforda fiziķi izmantoja Zemes attēlu, kas uzņemts ar meteoroloģisko satelītu. Bilde pārveidota t.s. Einšteina gredzenā – tā Zeme izskatītos, ja teleskops to novērotu cauri gravitācijas lēcai. Pēc tam algoritmam no šī izsmērētā gaismas riņķa bija jārekonstruē planētas attēls. Programma ar to tika galā – attēls, kaut pikseļains un ne gluži augstākās kvalitātes, tomēr jau atklāj daudz detalizētāku ainu nekā šobrīd to spēj jebkuri teleskopi, vērojot planētas aiz Saules sistēmas robežām.

^{Foto: Alexander Madurowicz, Bruce Macintosh}

Viss pētījums lasāms zinātniskajā žurnālā "The Astrophysical Journal".