ใช้ดวงอาทิตย์เป็นเลนส์ความโน้มถ่วง

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์นอกระบบโคจรผ่านหน้า(transit) ดาวฤกษ์แม่ ทำให้แสงดาวหรี่ลงเป็นคาบเวลา ช่วยให้ทราบการมีอยู่ของดาวเคราะห์ในวงโคจร เป็นวิธีการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบวิธีหลักแบบหนึ่ง

     นับตั้งแต่ที่มีการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกในปี 1992 นักดาราศาสตร์ได้ตรวจจับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นมากกว่า 5 พันดวงแล้ว แต่เมื่อนักดาราศาสตร์พบดาวเคราะห์นอกระบบใหม่ๆ เราก็ไม่ได้เรียนรู้อะไรเกี่ยวกับมันมากนัก เราเพียงทราบการมีอยู่ของมันและรายละเอียดอีกไม่กี่อย่างเกี่ยวกับมัน แต่รายละเอียดที่เหลือก็เป็นปริศนา

      เพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดทางกายภาพของกล้องโทรทรรศน์ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้ทำงานกับแนวคิดเทคนิคการถ่ายภาพแบบใหม่ที่น่าจะแม่นยำมากกว่าเทคโนโลจีการถ่ายภาพที่ดีที่สุดที่ใช้อยู่ราว 1 พันเท่า ด้วยการใช้ประโยชน์จากผลการบิดกาลอวกาศจากแรงโน้มถ่วง ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) นักดาราศาสตร์ก็น่าจะขยายปรากฏการณ์ประหลาดนี้เพื่อสร้างภาพที่ก้าวหน้ามากกว่าที่ปัจจุบันเป็น

     ในรายงานที่เผยแพร่วันที่ 2 พฤษภาคม ใน Astrophysical Journal นักวิจัยได้อธิบายวิธีที่จะพลิกแพลงใช้เลนส์ความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ เพื่อดูดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเรา ด้วยการวางตำแหน่งกล้องโทรทรรศน์, ดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์นอกระบบในแนวที่มีดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลาง นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถใช้สนามแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์เพื่อขยายแสงจากดาวเคราะห์นอกระบบเมื่อมันผ่านมาได้

ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง 

     เราอยากจะถ่ายภาพดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นให้ได้ดีพอๆ กับภาพดาวเคราะห์ในระบบสุริยะที่เราได้ Bruce Macintosh ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ สำนักมนุษยศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และผู้ช่วยผู้อำนวยการสถาบันคัฟลีเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์อนุภาคและเอกภพวิทยา(KIPAC) กล่าว ด้วยเทคโนโลจีนี้ เราหวังว่าจะได้ภาพดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างออกไป 100 ปีแสงซึ่งจะคล้ายกับภาพโลกจากยานอพอลโล 8

     ปัญหาในตอนนี้ก็คือ เทคโนโลจีที่นำเสนอต้องการการเดินทางในอวกาศที่พัฒนากว่าที่เป็นในปัจจุบัน แต่กระนั้น ผลที่ได้จากแนวคิดนี้และสิ่งที่มันอาจจะเผยให้เห็นเกี่ยวกับดาวเคราะห์อื่น ก็ทำให้มันมีคุณค่าที่จะนำมาศึกษาและพัฒนาต่อไป

     เลนส์ความโน้มถ่วงเป็นเพียงงานทางทฤษฎีจนกระทั่งปี 1919 เมื่อสำรวจสุริยุปราคา เมื่อดวงจันทร์ปิดกั้นแสงจากดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถมองเห็นดาวที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์หลุดตำแหน่งไปจากตำแหน่งที่ทราบอยู่แล้ว นี่เทียบเท่ากับการพิสูจน์ว่าแรงโน้มถ่วงสามารถบิดเบนแสง และเป็นหลักฐานจากการสำรวจครั้งแรกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ถูกต้อง ต่อมาในปี 1979 Von Eshleman ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้เผยแพร่บทความในรายละเอียดว่านักดาราศาสตร์และยานอวกาศจะใช้การเลนส์ความโน้มถ่วงดวงอาทิตย์ได้อย่างไร

     แต่ก็จนกระทั่งปี 2020 ที่มีการคิดค้นเทคนิคการถ่ายภาพในรายละเอียดเพื่อสำรวจดาวเคราะห์ Slava Turyshev จากห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) สถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) ได้อธิบายเทคนิคที่กล้องโทรทรรศน์ในอวกาศน่าจะใช้จรวดเพื่อสแกนไปรอบๆ ลำแสงจากดาวเคราะห์เพื่อสร้างภาพที่ชัดเจนขึ้นมา แต่เทคนิคนั้นก็น่าจะต้องการเชื้อเพลิงและเวลามากมาย

ภาพอธิบายปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ที่สำรวจพบเป็นครั้งแรกในปี 1919 จากการเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง

     Alexander Madurowicz นักศึกษาปริญญาเอกที่ KIPAC ต่อยอดงานจาก Turyshev โดยคิดค้นวิธีการใหม่ที่สร้างสร้างภาพพื้นผิวดาวเคราะห์ได้จากภาพเพียงภาพเดียว ที่ถ่ายเล็งไปที่ดวงอาทิตย์ โดยการจับวงแหวนแสงรอบๆ ดวงอาทิตย์ที่เกิดจากดาวเคราะห์นอกระบบ อัลกอริทึมที่ Madurowicz ออกแบบสามารถลบการรบกวนแสงจากวงแหวน โดยย้อนผลการบิดเบนจากเลนส์ความโน้มถ่วง ซึ่งจะเปลี่ยนวงแหวนให้กลับไปเป็นดาวเคราะห์ดวงกลมได้ เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ นักวิจัยใช้ข้อมูลโลกที่หมุนรอบตัวจากดาวเทียมสำรวจอากาศ จำลองมันเป็นวงแสงเละที่เรียกว่า วงแหวนไอน์สไตน์(Einstein ring) อัลกอริทึมก็สามารถย้อนผลภาพที่ถูกรบกวน และสร้างภาพ(จริงๆ แล้วเป็นพิกเซลต่อๆ กัน) โลกขึ้นอีกครั้งได้   

     เพื่อที่จะจับภาพดาวเคราะห์นอกระบบผ่านเลนส์ความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ กล้องโทรทรรศน์น่าจะต้องอยู่ที่ระยะทางอย่างน้อย 14 เท่าระยะทางจากพลูโตถึงดวงอาทิตย์ เลยขอบของระบบสุริยะออกไป และไกลเกินกว่าที่มนุษยชาติเคยส่งยานออกไป แต่ระยะทางดังกล่าวก็เป็นเพียงเสี้ยวน้อยๆ ในระยะทางหลายปีแสงระหว่างดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์นอกระบบ

     ในตอนนี้ เพื่อที่จะถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบสักดวงด้วยความละเอียดที่นักวิทยาศาสตร์เอ่ยถึง เราน่าจะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่กว้างกว่าโลก 20 เท่า แต่ด้วยการใช้แรงโน้มถ่วงดวงอาทิตย์เป็นเลนส์ขยาย เพียงแค่กล้องโทรทรรศน์ขนาดพอๆ กับฮับเบิล ก็น่าจะเพียงพอที่จะถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบโดยมีพลังมากพอที่จะจับรายละเอียดยิบย่อยบนพื้นผิวได้ เลนส์ความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์จะเปิดหน้าต่างบานใหม่เอี่ยมในการสำรวจ Madurowicz กล่าว นี่จะช่วยให้เกิดการศึกษาพลวัตในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ในรายละเอียด เช่นเดียวกับ การกระจายตัวของเมฆและรายละเอียดพื้นผิว ซึ่งเราไม่เคยสำรวจได้มาก่อน

    Madurowicz และ Macintosh ต่างบอกว่าน่าจะต้องใช้เวลาอย่างน้อย 50 ปีก่อนที่เทคโนโลจีนี้จะทำงานได้ เพื่อที่จะบรรลุถึงการใช้งาน เราต้องการยานที่เร็วขึ้นเนื่องจากด้วยเทคโนโลจีปัจจุบัน มันน่าจะต้องใช้เวลา 100 ปีเพื่อเดินทางไปสู่ตำแหน่งที่สร้างเลนส์ได้ดังกล่าว การใช้ยานล่องสุริยะ(solar sail) หรือใช้ดวงอาทิตย์เพื่อเหวี่ยงยานออกไป เวลาก็อาจจะสั้นเหลือ 20 หรือ 40 ปี แม้จะมีความคลาดเคลื่อนเรื่องช่วงเวลา แต่ความเป็นไปได้ที่จะได้เห็นว่าดาวเคราะห์นอกระบบบางดวงจะมีทวีปหรือมหาสมุทร ก็ช่างเย้ายวนใจ การมีอยู่ของสิ่งที่ว่ามานั้นเป็นตัวบ่งชี้อย่างรุนแรงว่าอาจจะมีชีวิตบนดาวเคราะห์ที่ห่างไกลดวงนั้นๆ

     นี่เป็นหนึ่งในก้าวท้ายๆ ในการค้นพบว่ามีชีวิตอยู่บนดาวเคราะห์อื่นหรือไม่ Macintosh กล่าว ด้วยการถ่ายภาพดาวเคราะห์อื่น คุณอาจจะมองแล้วเห็นปื้นสีเขียวซึ่งเป็นผืนป่า และก้อนสีฟ้าซึ่งเป็นมหาสมุทร ด้วยสิ่งเหล่านี้ก็ยากที่จะโต้แย้งว่าจะไม่มีชีวิตอยู่

ตัวอย่างภาพโลกที่สร้างขึ้นใหม่ โดยใช้วงแหวนแสงรอบดวงอาทิตย์ ที่รวมแสงโดยเลนส์ความโน้มถ่วงดวงอาทิตย์เอง อัลกอริทึมที่สร้างภาพใหม่ สามารถปรับใช้ในการถ่ายภาพรายละเอียดกับดาวเคราะห์นอกระบบ

แหล่งข่าว phys.org : scientists describe a gravity telescope that could image exoplanets
                scitechdaily.com : Stanford’s Futuristic Gravity telescope could image exoplanets – 1000x more powerful than current technology
                space.com : Sun’s gravitational lens could help find life on exoplanets
                 sciencealert.com : new way to glimpse distant worlds could give us our first real look at exoplanets