Usare il Sole come una lente gravitazionale

Albert Einstein con la sua Teoria della Relatività Generale scoprì che la gravità altera la curvatura dello spaziotempo. La teoria venne confermata misurando le variazioni della posizione delle stelle influenzate dal campo gravitazionale del Sole.
Per decenni, gli astronomi hanno utilizzato questo effetto  sfruttando il Gravitational Lensing (GL), dove una sorgente lontana è focalizzata e amplificata da un oggetto massiccio posto in primo piano.
In un recente studio, due fisici teorici sostengono che il Sole potrebbe essere utilizzato come una lente gravitazionale (SGL). Questo metodo, sostengono, fornirebbe un’amplificazione della luce sufficiente per studiare direttamente gli esopianeti vicini. Ciò potrebbe consentire agli astronomi di capire se pianeti come Proxima b sono potenzialmente abitabili.
Lo studio, che è apparso di recente è in fase di revisione per la pubblicazione sulla rivista Physics Review D, è stato condotto dal fisico teorico Viktor Toth – in precedenza con il Perimeter Institute for Theoretical Physics – e Slava G. Turyshev, fisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA che è stato anche il Principal Investigator (PI) della missione The Laser Astrometric Test of Relativity (LATOR).
Oltre a consentire diverse ricerche astrofisiche profonde, la lente gravitazionale ha prodotto alcune delle immagini più spettacolari dell’Universo. Questi includono i cosiddetti “Anelli di Einstein” , la deformazione anulare della luce proveniente da un oggetto celeste che assume la forma di un anello a causa dell’effetto lente gravitazionale sulla luce emessa dalla sorgente, provocato da un oggetto con una massa estremamente grande.
A seconda dell’allineamento tra l’osservatore, la sorgente e la lente, la luce dalla sorgente può apparire come un arco, una croce o con un’altra forma. Mentre qualsiasi corpo massiccio può essere usato come lente gravitazionale, il Sole è in una posizione vantaggiosa per l’astronomia GL.
In secondo luogo, la regione focale della sua lente inizia a una distanza di ~ 550 UA dal Sole, che è una distanza realistica da raggiungere. La regione focale del secondo oggetto più grande del sistema solare (Giove) inizia a una distanza di oltre 2.400 UA. In breve, gli astronomi potrebbero progettare un corretto allineamento con il Sole per creare un SGL e usarlo per osservazioni astronomiche, per osservare i pianeti extrasolari vicini.
L’imaging diretta è un metodo particolarmente promettente per lo studio degli esopianeti, su cui i futuro ci si baserà come mai prima d’ora. Esaminando la luce riflessa direttamente dall’atmosfera o dalla superficie di un esopianeta, gli astronomi possono ottenere spettri che indicano di quali gas è composta la sua atmosfera e forse persino rilevare tracce di vegetazione sulla superficie.
Questo metodo è complicato poiché i telescopi attuali non hanno la risoluzione necessaria per rilevare direttamente i pianeti rocciosi che orbitano vicino alle loro stelle ospiti. Ecco perché la stragrande maggioranza degli esopianeti a immagine diretta sono giganti gassosi, tipicamente con orbite molto più ampie. Come ha detto Turyshev a Universe Today via e-mail:
“Per osservare e visualizzare direttamente un esopianeta abbiamo bisogno dell’accesso a telescopi molto grandi. Quindi, se vogliamo vedere la nostra Terra in un solo pixel da una distanza di 100 anni luce, abbiamo bisogno di un telescopio con ~ 90 chilometri di diametro. I prossimi telescopi più grandi da costruire a terra (European Extremely Large Telescope) e per andare nello spazio (James Webb Space Telescope) sono rispettivamente di 39 metri e 6,5 metri. I concetti che vengono considerati in sostituzione di queste magnifiche macchine (LUVOIR e HabEx) sono 16 e / o 24 metri”.
In base a questo, Turyshev sostiene che nessuno oggi vedrà da vicino come appare un mondo alieno e che non lo vedranno nemmeno i suoi figli e i suoi nipoti.. Con una SGL, osservazioni di pianeti extrasolari vicini come Proxima b e c o i sette pianeti rocciosi che orbitano intorno a Trappist-1, potrebbe essere possibile entro la metà di questo secolo.
Per capire se un SGL è possibile, Toth e Turyshev si sono basati su precedenti studi in cui hanno sviluppato una descrizione teorica delle onde per un SGL. I due hanno simulato l’aspetto della Terra se fosse alla stessa distanza di Proxima Centauri (4,24 anni luce) e ripresa da un telescopio posizionato a 650 UA dal Sole. Il tempo di esposizione totale necessario per questa quantità di dettagli sarebbe di circa un anno. (Immagine sotto)

Ovviamente, il team ha identificato diverse sfide che dovrebbero essere superate. La distanza dalla regione focale, che si trova a circa 82,28 miliardi di km dalla Terra è il problema più grande. Si tratta di circa quattro volte la distanza tra la Terra e la sonda Voyager 1, che detiene il record della distanza dalla Terra mai percorsa: 150 UA (22,44 miliardi di km fino al 2020).
Toth e Turyshev inoltre, hanno scoperto che l’obiettivo avrebbe sofferto di aberrazioni sferiche e astigmatismo. Infine, l’intensa luminosità del Sole avrebbe naturalmente sopraffatto qualsiasi luce ottenuta da oggetti distanti, come ha spiegato Toth:
“[L] e le osservazioni richiedono necessariamente molto tempo (il telescopio vede un” pixel “alla volta mentre attraversa un piano dell’immagine largo un chilometro nella regione focale e per ogni pixel devono essere raccolti dati sufficienti per mitigare gli effetti di rumore, principalmente dalla corona solare) durante il quale a) il movimento del telescopio rispetto all’immagine deve essere conosciuto con precisione, eb) l’esopianeta stesso bersaglio può muoversi, cambiare aspetto (nuvole, vegetazione, ecc.) e illuminazione. Alcuni di questi problemi possono essere trattati come rumore, altri possono essere rimossi con un’intelligente strategia di ricostruzione dell’immagine”.
Fortunatamente, esistono delle soluzioni suggerite da Toth e Turyshev. Ad esempio, il loro studio richiede l’uso di un telescopio con uno specchio primario di 1 metro, sebbene sia possibile usare una lente da 2 a 2,5 m. Ciò potrebbe essere ottenuto, sostengono, inviando una piccola flotta di veicoli spaziali dedicati all’imaging che potrebbero combinare la loro risoluzione per correggere le aberrazioni.
Per far fronte all’interferenza del Sole, sarà necessario sviluppare un coronografo. Fortunatamente, Toth e Turyshev stimano che, data la lunghezza focale del Sole, sarà sufficiente un coronografo di circa 1 m di diametro.
Ma i vantaggi, portati dalle immagini risolte di esopiameti pianeti potenzialmente abitabili, sarebbero incalcolabili.
Avere un telescopio SGL sarebbe utile ai molti telescopi di prossima generazione che diventeranno operativi nei prossimi anni. Questi includono il James Webb (JWST) e il telescopio spaziale Nancy Grace che proseguiranno il lavoro seguendo le orme di altri importanti telescopi del passato..
Allo stesso modo, i telescopi terrestri con ottiche adattive e coronografi – come l’ Extremely Large Telescope (ELT) dell’ESO e il Giant Magellan Telescope (GMT) – consentiranno studi di imaging diretto di pianeti rocciosi più piccoli che orbitano più vicino alle loro stelle. In particolare intorno alle stelle nane rosse di tipo M (nana rossa), è qui che ci si aspetta che si trovino più candidati abitabili.
Un SGL sarebbe un investimento importante mentre entriamo in una nuova era di astronomia e astrobiologia che guarda oltre la scoperta di esopianeti per concentrarsi sulla caratterizzazione e sulla ricerca della vita extraterrestre. Come riassume Turyshev:
“Nei prossimi 10-15 anni scopriremo migliaia di nuovi esopianeti utilizzando metodi indiretti (spettroscopia di transito, velocità radiale, astrometria, microlensing, ecc.). Una volta che avremo una serie di obiettivi interessanti, SGL ci aiuterà a studiarli. Potremmo lanciare una missione verso la regione focale del SGL per un particolare target e studiare questo target preselezionato o sistema target”.
Fonte: https://www.universetoday.com/149214/if-we-used-the-sun-as-a-gravitational-lens-telescope-this-is-what-a-planet-at-proxima-centauri-would-look-like/k