خورشید می‌تواند یک روز سطح زمین‌های بیگانه را آشکار کند

تاکنون بیش از ۵۰۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی کشف شده‌اند؛ اما تقریباً می‌توان گفت هیچ‌ چیز درباره‌ی این سیاره‌ها نمی‌دانیم. اغلب این سیاره‌ها صرفاً به روش غیرمستقیم و براساس سایه‌های عبوری از مقابل ستاره‌هایشان رصد شده‌اند. از طرفی پژوهشگرها با استفاده از نور منتشرشده از برخی سیاره‌ها موفق به عکس‌برداری مستقیم از تعداد کمی از آن‌ها شدند اما این سیا‌ره‌ها حتی با بهترین تلسکوپ‌های فعلی هم به شکل نقاطی تک‌رنگ دیده می‌شوند؛ و سیاره‌هایی که تاکنون به شیوه‌ی مستقیم عکس‌برداری شده‌اند از درخشان‌ترین و بزرگ‌ترین سیاره‌های فراخورشیدی هستند که کمترین شباهت را به زمین دارند.

اما در آینده‌ای دور داستان طور دیگری رقم خواهد خورد. تصور کنید در آینده‌های دور تصویر سیاره‌ی فراخورشیدی در دوردست‌ها به‌ویژه سیاره‌ای مشابه زمین تا چه اندازه می‌تواند واضح باشد؟ در پاسخ باید گفت روزی ستاره‌شناس‌ها می‌توانند تصاویری از قاره‌ها، ابرها، پوشش‌های یخی و حتی پوشش گیاهی برخی سیاره‌های دورافتاده‌ی زمین‌مانند را ثبت کنند.

اما مشکل اصلی اینجا است که در شرایط فعلی نمی‌توان تلسکوپی قدرتمند ساخت که چنین قابلیتی را داشته باشد؛ اما برای عملی کردن این آرزو باید از نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین کمک گرفت و خود خورشید را به عدسی عظیمی با قابلیت بزرگ‌نمایی بالا تبدیل کرد. براساس دیدگاه کلیدی آلبرت اینشتین، گرانش را می‌توان همان خمیدگی فضازمان درنظر گرفت. درنتیجه ستاره‌ها و دیگر اجرام سنگین به شکل لنزهایی گرانشی عمل می‌کنند که می‌توانند نور اجرام پس‌زمینه را تقویت یا خم می‌کند.

ستاره‌شناسان امروزه به صورت منظم از کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی به‌عنوان لنزهای گرانشی استفاده می‌کنند اما چشم‌انداز استفاده از این روش برای خورشید با چالش‌های بسیاری همراه است به‌طوری‌که تعداد کمی از پژوهشگرها آن را جدی می‌گیرند. از طرفی برای این روش باید به شکلی دقیق تلسکوپی معمولی مثل هابل را در نقطه‌ای قرار داد که نور تقویت‌شده‌ی هدف در آن متمرکز شود. برای خورشید این نقاط کانونی در دامنه‌های کرانی منظومه‌ی شمسی قرار دارند که حداقل فاصله‌ی آن‌ها تا خورشید ۱۴ برابر دورتر از پلوتو است.

این نمودار تکنیک پردازش تصویر کامپیوتری را نشان می‌دهد که از میدان گرانشی خورشیدی برای بزرگ‌نمایی نور دریافتی سیاره‌های فراخورشیدی استفاده می‌کند. بدین‌ترتیب امکان بازسازی‌های فوق پیشرفته‌ی ظاهر سیاره‌های فراخورشیدی فراهم می‌شود.

براساس پژوهشی جدید از ستاره‌شناسان دانشگاه استنفورد، میانبری ساده برای وظیفه‌ی دشوار عکاسی از سیاره‌های فراخورشیدی با استفاده از خورشید به‌عنوان تلسکوپی کیهانی وجود دارد. این پژوهش که در مجله‌ی Astrophysical منتشر شد پیشنهاد می‌دهد که ستاره‌شناسان با استفاده از قدرت وضوح ۱۰۰۰ برابر بیشتر از تلسکوپ ایونت هرایزن می‌توانند از سیاره‌های فراخورشیدی عکس‌برداری کنند. تلسکوپ ایونت هرایزن برای ثبت اولین تصویر سیاه‌چاله‌ای کلان جرم به کار رفت. به گفته‌ی بروس مکینتاش، اخترفیزیکدان استنفورد و یکی از مؤلفان مقاله:

می‌توان به این هدف به‌عنوان هدفی غایی در فرایند بررسی سیاره‌های فراخورشیدی نگاه کرد. یا حداقل می‌توان آن را مرحله‌ی آخر بازدید از این سیاره‌ها درنظر گرفت.

الکس مادوروویکز یکی از مؤلفان همکار مکینتاش تصاویر ماهواره‌ای زمین را وارد مدلی کامپیوتری کرد تا چشم انداز زمین را به گونه‌ای تغییر دهد که گویی از لنز گرانشی ستاره‌ای دوردست دیده می‌شود. در اغلب شرایط تصویر حاصل نوعی «حلقه‌ی اینشتین» است. حقله‌ی اینشتین، لکه‌ی مدور و دارای انحراف است که بر اثر نور سیاره‌ای که دورتادور ستاره‌ی لنز خم می‌شود، به وجود می‌آید.

پژوهش‌‌های قبلی از جمله پژوهش اسلاوا توریشف از آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا، نشان دادند که تصحیح این انحراف‌ها مستلزم جابه‌جایی تلسکوپ معمولی در منطقه‌ی کانونی در لبه‌ی منظومه‌ی شمسی است. رسیدن به اسکن پیکسل به پیکسل تصویر خمیده‌ی سیاره که از فاصله‌ی ۸۰ میلیارد کیلومتری از زمین جمع‌آوری شده است، می‌تواند هزاران ساعت به طول بینجامد و مقدار زیادی سوخت مصرف کند.

مادورویکز و مکینتاش متوجه شدند که این محاسبات می‌توانند تغییر کنند از طرفی شکل خورشید کمی از دایره‌ی بی‌نقص فاصله دارد. این جزئیات اندک به این معنی است که اگر سیاره‌ی فراخورشیدی هدف به شکلی بی‌نقص و طبق زاویه‌ی دید تلسکوپ در منطقه‌ی کانونی، به شکلی بی‌نقص با استوای خورشید تراز شود، نتیجه‌ی حاصل حلقه‌ی اینشتین نیست بلکه یک ضربدر یا چهار کپی نامتقارن از سیاره‌ به صورت محاط با خورشید است. براساس یافته‌ها، با استفاده از این عدم تقارن، فرایند اسکن برای بازسازی تصویر بدون انحراف سیاره‌ی فراخورشیدی را می‌توان حذف کرد. به باور مادورویکز:

لازم نیست تلسکوپ را داخل تصویر جابه‌جا کنید. بلکه می‌توانید در یک نقطه باقی بمانید.

توریشف که مشارکتی در پژوهش جدید ندارد شک دارد که فرایند خسته‌کننده‌ی اسکن را بتوان حذف کرد. به باور او، تکنیک ایده‌آل برای بازسازی تصویر پیشنهادی مکینتاش و مادورویکز، غلبه بر تداخل‌های احتمالی ناشی از درخشش خورشید و جو سوزان آن یعنی تاج خورشیدی است. توریشف می‌افزاید:

اصلا شاید بهتر بود خورشید کاملاً تاریک باشد؛ اما می‌دانیم که این طور نیست و حتی بهترین تجهیزات هم نمی‌توانند نور خورشید را به‌طور کامل مسدود کنند. مقاله‌ی آن‌ها فوق‌العاده است اما صرفاً در حد تئوری باقی می‌ماند.

حتی اگر بتوان فرایند اسکن را حذف کرد، باید محدودیت‌های دیگر را هم در نظر گرفت. هر سیاره‌ی فراخورشیدی که هدف لنز گرانشی قرار می‌گیرد به تلسکوپ اختصاصی مشابه هابل نیاز دارد تا به کرانه‌های خارجی منظومه‌ی شمسی فرستاده شود. برای مثال چنین رصدخانه‌ای برای عکس‌برداری از سیاره‌ی فراخورشیدی دومی که تنها ده درجه از مقصد اصلی فاصله دارد باید بیش از ۱۴ میلیارد کیلومتر از موقعیت خود در اطراف خورشید جابه‌جا شود. به گفته‌ی مادورویکز:

برای استفاده از یک لنز گرانشی خورشیدی باید تلسکوپ، خورشید و سیاره‌ی هدف را به شکلی بسیار دقیق تراز کنید.

درنتیجه هیچ تلسکوپی نمی‌تواند از بیش از یک سیاره یا یک ستاره با چند دنیای جذاب به صورت هم‌زمان عکاسی کند. به‌همین‌دلیل، ژان اشنایدر، ستاره‌شناس رصدخانه‌ی پاریس به‌دنبال راه‌حل جایگزینی برای لنز گرانشی خورشیدی است که هایپرتلسکوپ نامیده می‌شود. این طرح وسیع شامل کشف ویژگی‌های سطحی سیاره‌های فراخورشیدی ازطریق مجموعه‌ای وسیعی از آینه‌ها در مقیاس متری است که همراه با یکدیگر تلسکوپی مجازی بزرگ‌تر از هر تلسکوپ موجود را می‌سازند.

اشنایدر معتقد است که عکس‌های مستقیم پوشش‌های گیاهی احتمالی فرازمینی، ارزشمند هستند و می‌توانند دیدگاه‌هایی را ارائه کند که دسترسی به آن‌ها ازطریق دیگر روش‌های رصد دوردست غیرممکن است. آکی روبرج، اخترفیزیکدان مرکز فضایی گدارد ناسا معتقد است ستاره‌شناسان حتی از وجود سیاره‌ای مشابه زمین اطلاعی ندارند. به نظر می‌رسد روش عکس‌برداری مستقیم تنها راه پی بردن به این سؤال باشد.

در گزارش آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی با عنوان مسیرهای اکتشاف در نجوم و اخترفیزیک در دهه‌ی ۲۰۲۰، رصدخانه‌‌ای با به نام Astro2020 Decadal Survey (نقشه‌برداری ده‌ساله‌ی Astro2020) پیشنهاد شده است. این رصدخانه یکی از امیدهای آینده‌ی نزدیک است که می‌تواند به پرسش‌های روبرج و همکاران او پاسخ دهد و از طرفی به‌عنوان نقشه‌ی راهی ده ساله راهنمای نجوم ایالات متحده خواهد بود. همچنین در صدر طرح‌های پیشنهادی، طرح تلسکوپی فضایی با آینه‌ای با قطر بیش از شش متر وجود دارد. چیزی شبیه یک سوپرهابل که برای جمع‌آوری نورهای طیف مرئی، فروسرخ و فرابنفش طراحی شده و در اوایل دهه‌ی ۲۰۴۰ پرتاب خواهد شد.

براساس توصیه‌های Astro2020، یکی از قابلیت‌های کلیدی چنین تلسکوپی عکس‌برداری مستقیم از انواع سیاره‌های فراخورشیدی با هدف کلیدی بررسی جوی آن‌ها و رسیدن به حدس‌های بهتری درباره‌ی شرایط محیطی این سیاره‌ها است. از این مرحله ستاره‌شناس‌ها نشان می‌دهند پیش‌نیازهای شیمیایی یا فراورده‌های حیاتی که می‌شناسیم مثل آب، ترکیب‌های زیستی، اکسیژن آزاد و بسیاری از موارد دیگر روی دنیاهای هدف قرار دارند یا خیر.

حباب‌های تاری که ممکن است توسط تلسکوپ پیشنهادی عکس‌برداری شوند اولین قدم کوچک به سمت شناخت پتانسیل حیات در سیاره‌ای فراخورشیدی خواهند بود. پس از چنین مأموریتی می‌توان گفت که آیا می‌توان هایپرتلسکوپ ساخت یا از لنز گرانشی خورشیدی برای رسیدن به تصاویر سطحی دقیق استفاده کرد.

با وجود ماهیت دورافتاده‌ی لنز گرانشی، توریشف، مکینتاش و مادورویکز همه به اتفاق درباره‌ی احتمال‌هایی که ارزش انتخاب را دارند فکر می‌کنند. پیشرفت در زمینه‌های بادبان‌های خورشیدی و دیگر فناوری‌های پیش‌رانش غیرمتداول، احتمال سرعت بخشیدن به سفر‌های پیش‌نیاز به کرانه‌های خارجی منظومه‌ی شمسی را فراهم می‌کند. از طرفی چالش‌ها همچنان ترسناک هستند اما استفاده از ستاره‌ی خود به‌عنوان تلسکوپ شاید بیشتر از طرح‌های فعلی به واقعیت نزدیک باشد. درنتیجه با پیش‌بینی محدودیت‌های عملی و تئوری، به جای مطرح کردن این سؤال که «آیا می‌توانیم این کار را انجام دهیم» باید گفت «از چه سیاره‌هایی باید عکس‌برداری کنیم؟»