Применение гравитационной линзы Солнца для наблюдения экзопланет

[pkl]

Боюсь, идея уже проиграла телескопам.

[gans2]

Переписью "экспертов" удовлетворен...

[pkl]

Ну вот зачем Вы так? У меня буквально только что родилось две идеи:
1. Разгоняемся на химии у Земли.
2. Разгоняемся на химии у Юпитера.
В каждом случае используем эффект Оберта. При этом у Земли мы можем сжигать кислородно-водородное топливо. У Юпитера будет посложнее, т.к. надо или придумывать какую-то экзотическую топливную пару типа пентафторид хлора + пентаборан либо перекись водорода + гидрид бериллия, или мудрить с криогенной установкой для поддержания топлива в жидком состоянии. При этом в качестве разгонного блока использовать верхнюю ступень какой-нибудь РН. Разумеется, ступень придётся оснастить дополнительной теплоизоляцией. Ну и двигатели модифицировать под многократное включение.

[pkl]

А что все молчат? Что никто не обсуждает?

Я тут после тщательного обдумывания придумал наиболее реалистичный вариант: комплекс состоит из трёх основных блоков - электроракетный буксир, разгонный блок на химическом топливе и собственно зонд. Электроракетный буксир - ничего принципиально нового, стандартные ЭРД с питанием от солнечных батарей. При его создании имеет смысл отталкиваться от какой-нибудь геостационарной платформы.  Аппарат выводится на околоземную орбиту одноразовой ракетой, причём разгонный блок одновременно является последней ступенью этой ракеты. Затем производится дозаправка разгонного блока. Когда всё готово, ЭРД-буксир начинает разгон и вытаскивает связку сначала из гравитационной ямы Земли, а затем начинает тянуть к Юпитеру. В принципе, можно ещё воспользоваться гравитационным манёвром у Венеры - это даст несколько км/с. Т.е. буксир у нас - I ступень. У Юпитера, а в перииовии происходит включение ЖРД и старт в межзвёздное пространство:

Например, рассмотрим в системе отсчёта Юпитера космический аппарат, находящийся на параболической пролётной орбите. Допустим, его скорость в перицентре Юпитера (перииовии) составит 50 км/с, когда он выполнит включение двигателя с {\displaystyle \Delta v} \Delta v в 5 км/с. Тогда его конечная скорость на большом удалении от Юпитера окажется 22,9 км/с, в 4,6 раза больше {\displaystyle \Delta v} \Delta v

Собственно, проблема разгона сводится к тому, как подобрать топливо, дающее максимальный у.и. и как сберечь его до Юпитера. Я бы предложил подумать над топливными парами кислород+керосин и кислород+водород. В обоих случаях нужна толстая теплоизоляция /которую, кстати, тоже можно сбросить непосредственно перед включением ЖРД/ и холодильная установка. С другой стороны, такая технология может много где пригодиться, окромя запуска зондов в фокальную линию Солнца. Ещё надо решить вопрос с сохранением работоспособности ЖРД в течении нескольких лет.

[MenFrame]

Поскольку один аппарат сможет получить снимки только одной экзопланеты - то нужно рассчитывать на запуск хотя бы сотни таких аппаратов.

Для этого нужно обнаружить сотню интересных объектов в радиусе 100 световых лет....

[pkl]

Хороший вариант - запустить пару - тройку зондов с постепенным расхождением, чтобы пересекали гравитационный фокус с интервалом, допустим, год - два. Тогда появится возможность дополнять и корректировать наблюдения. Может, какие-то изменения удастся заметить.

[gans2]

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434809/Linza_po_imeni_Solntse_kak_poluchit_foto_ekzoplanety

Согласно одному из концептов, предложенному командой SGLP, созвездия небольших космических аппаратов можно будет запускать на фокальную линию каждый год; те, что прилетят на место раньше, смогут поделиться с новоприбывшими данными и настройками. Кроме того, такая стратегия позволит наблюдать за экзопланетой в течение долгого времени.

[Gleb1964]

Зачем достигать гравитационной фокальной линии Солнца объяснять не надо, я думаю.

Как это в духе раздела, не разобравшись с тем, как работает "гравитационная линза" и без малейшего понятия, что потребуется, чтобы попытаться получить с ней изображение, сразу "планировать миссию". 
И давать ссылки на авторов, не разобравшихся с предметом, зато настрочивших статьи:

Для оптики есть следующие расчеты :

Собирающая способность телескопа в ГЛС определяется площадью кольца Эйнштейна с толщиной в диаметр телескопа, а его разрешающая способность пропорциональна отношению длины волны наблюдения к диаметру Солнца. При построении изображения экзо-Земли, находящейся на расстоянии в 100 световых лет, лучший оптический телескоп, чтобы сравниться по качеству с телескопом на фокальной линии ГЛС на расстоянии в 650 а. е. от Солнца, должен иметь диаметр 75 км. Но даже такой чудовищный телескоп едва ли разглядел бы диск планеты — для получения изображения диска такого объекта в тысячу пикселей нужен телескоп диаметром около 75 тыс. км, что практически невозможно. Невозможно и построение системы с несколькими телескопами (оптический интерферометр) такого размера — с использованием текущей или разумно предсказуемой технологии ближайшего будущего. Но даже если и возможно, помехи от межзвездной пыли, существующей между планетой и телескопом, заставили бы более десяти миллионов лет собирать достаточно света, необходимого для формирования изображения экзо-Земли. Довольно скромный 1-метровый телескоп в фокусе ГЛС выполнит эту задачу за пару недель.

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433637/Solntse_stanet_teleskopom

просвещайтесь

Советую скомкать и выбросить в мусор. Автор явно не разобралась с предметом.

В плане критического разбора гравитационной линзы Солнца могу рекомендовать статью https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1604/1604.06351.pdf

[gans2]

Какие буквы в слове "радиотелескоп" Вам непонятны?

любой приемник в гравитационной фокальной линии Солнца эквивалентен 50-метровой тарелке наземного радиотелескопа.
А это значит , что мы получаем интерферометр с базой 550 а.е. причем космическая часть эквивалентна земной, потому что тарелкой для неё служит Солнце.

[Gleb1964]

Да, я просматривал эту статью, про использование атмосферы Земли. Всяко реалистичнее гравитационных линз. Но проблемы схожие, только добавляется хроматизм в атмосфере и поглощение в атмосфере. В расчеты по атмосферной линзе пока глубоко не вдавался. Но это вопрос для отдельной темы.

Какие буквы в слове "радиотелескоп" Вам непонятны?

Мне не понятно, каким образом будет достигнуто разрешение "кольца Энштейна", отсечение изображения которого коронографом, является условием достижения упомянутых ничтожных 100 000 выигрыша по потоку на приемник. Вы в курсе, что изображение экзопланеты растягивается в кольцо вокруг Солнца. Однако, гравитационная линза преломляет свет тем слабее, чем на большем радиусе проходит свет, в отличие от обычных линз, у которых преломление сильнее к краю. Поэтому наблюдается эффект уменьшения углового размера источника, выраженное в том, что угловая толщина кольца в 2 раза меньше углового размера источника, растянутого в кольцо. Скажем, если поперечник принимающей апертуры 2м, ему соответствует эффективная ширина  кольца 1м.
Для того, чтобы разрешить образованное экзопланетой кольцо Энштейна, потребуется коронограф, способный разрешить, по крайней мере, половину углового размера экзопланеты. И не просто разрешить, а создать изображение. Интерферометр эту проблему решить не может. Интерферометр получает интерферограмму, а не прямое изображение, а изображение потом синтезируют из множества интерферограмм хитрыми и неоднозначными алгоритмами. В выделении кольца Энштейна интерферометр, хоть видимого, хоть радиодиапазона не поможет.
Ну, и при чем здесь это сочетание букв "радиотелескоп", без присутствия понимания смысла.

[MenFrame]

В статьях вроде сказано, что изображение будет собираться попиксельно системой вращающихся телескопов.. То есть очевидно что авторы понимают, отличие обычной линзы от гравитационной.

[Gleb1964]

"Пиксель" в такой схеме должен быть телескопом, направленном на Солнце и снабженным коронографом, цель которого отсечь посторонний свет от кольца. Если просто в космосе поставить приемник, то он будет засвечен паразитным светом на много-много порядков сильнее, чем сигнал от экзопланеты. И прежде всего будет засвечен потоком от Солнца.
Само кольцо с расстояния >550ае от Солнца имеет угловой размер 3.5 угл.сек. в диаметре, практически совпадая с краем Солнца. Толщина кольца будет иметь угловой размер в половину углового размера экзопланеты. Чтобы эффективно выделить свет в кольце от Солнца, потребуется оптический телескоп с апертурой неимоверных размеров. В радиодиапазоне размер непрерывной (заполненной) апертуры потребуется еще больше, пропорционально увеличению длины волны. Как я уже упоминал выше, радиоинтерферометр не поможет, потому что апертуры радиоинтерферометров синтезируют из множества, практически, точечных апертур, сшивая из множества наблюдейний синтезированную апертуру, которая, все равно, почти вся "дырявая". Т.е. имеет множество лепестков диаграммы направленности, а стало быть, не способна отсекать паразитный свет.
Нагружу немножко цифр.
Пусть из "гравитационного фокуса" наблюдается экзопланета на расстоянии 10пс размером с Землю и такой же яркости (это у нас один пиксел изображения). Угловой размер экзопланеты порядка 10^-5 угл.сек, телесный угол на 16 порядков меньше телесного угла Солнца. Яркость Земли на 6 порядков меньше яркости Солнца, примем такую же для экзопланеты. Телесный угол кольца Энштейна для такой экзопланеты будет на 8 порядков меньше телесного угла Солнца, а поток света на 14 порядков слабее (это учетом того, что яркость экзопланеты на 6 порядков меньше). Поток это произведение яркости на телесный угол. Это просто.
Чтобы выделить свет экзопланеты от солнечного потока, который на 14 порядков (!) превышает полезный сигнал, требуется система, способная создать изображение кольца Энштейна толщиной 4 миллионый долей угловой секунды. Для длины волны света 0.5 микрона (видимый диапазон) требуется телескоп со сплошной апертурой диаметром порядка 24км (!). В радиодиапазоне диаметр возрастет пропорционально длине волны. Для волны 0.5мм нужна антена (сплошная) в 1000 раз больше.
Если экзопланета в 10 раз дальше, или в 10 раз меньше, цифры нужно соответственно промасштабировать. Волновую природу света обойти не удастся.

То есть очевидно что авторы понимают, отличие обычной линзы от гравитационной.

Я сильно в этом сомневаюсь. Я дал ссылку на статью, где, как я вижу, вопрос рассмотрен обстоятельно (https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1604/1604.06351.pdf ).
Это я все к чему? К тому, что "планируя миссию", неплохо бы разобраться в ее деталях.  А все, что может автор темы, это поставить минус в корму, от бессилия.. 

[Gleb1964]

любой приемник в гравитационной фокальной линии Солнца эквивалентен 50-метровой тарелке наземного радиотелескопа.
А это значит , что мы получаем интерферометр с базой 550 а.е. причем космическая часть эквивалентна земной, потому что тарелкой для неё служит Солнце.

Это сами придумали или цитату привели? Раз курсивом, видимо, цитата.
Нет, не любой приемник, а только коронограф с высоким разрешением. Об этом я немного распространился в предыдущем сообщении.
А вот откуда может вообще взятся база в 550 ае, если источник (экзопланета), "линза" (Солнце) и приемник находятся на одной линии? База в интерферометре это межапертурное расстояние, перпендикулярное направлению на источник. А в данной конфигурации - все на одной линии - база строго ноль. Или я что то упустил?
В оптических интерферометрах свет складывают напрямую, выравнивая в реальном времени длину хода до малых долей волны через линии задержки. В радиоинтерферометрии записывают аналоговые сигналы на физические носители с метками точного времени, а потом многократно коррелируют сигналы в поисках фазы, пока не достигнут полной корреляции.


Апертура, синтезированная из двух апетур, имеет многолепестковую диаграмму направленности, как на рисунке:



Разрешением такого интерферометра принято считать расстояние между полосками. Но изображение он создать не может. А напомню, нужно получить изображение кольца Энштейна, которое расположено вокруг яркого Солнца, имеющего яркость порядков на 6 выше, чем яркость кольца.
В наземных интерферометрах изображение стабильного источника синтезируют из множества сеансов наблюдений. Если источник нестабильный, например - планета достаточно быстро вертится вокруг своей оси ( ), синтезировать изображение становиться невозможным.

[gans2]

Мне не понятно, каким образом будет достигнуто разрешение "кольца Энштейна", отсечение изображения которого коронографом, является условием достижения упомянутых ничтожных 100 000 выигрыша по потоку на приемник.

Если бы у рыб были блохи....
Еще раз.
Усиление сигнала в К-диапазоне - 69 децибелл. Это не 100000, а на порядок больше. И коронограф радиотелескопу не нужен(по причинам неизвестным эксперту по блохам)

[Gleb1964]

И коронограф радиотелескопу не нужен

так поделитесь "секретными знанием", почему не нужен.



Отрывок с моим переводом из https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1604/1604.06351.pdf

Отношение сигнал шум

Коронограф

Из рисунка 2 видна очевидная трудность: для того, чтобы использовать гравитационную линзу в качестве телескопа, наблюдатель должен нацеливаться прямо на Солнце. Обычно, читая инструкцию о том, что нельзя делать с телескопом, как номер один в списке "избегайте наводить телескоп напрямую на Солнце". Это остается в силе даже на удалении 550 а.е., где Солнце по прежнему ярчайший ( и наиболее шумный в радио-диапазоне) объект на небе.
Для использования гравитационного фокуса как объектива требуется, чтобы объект наблюдения был на прямой за Солнцем, прямо по центру, если смотреть из точки наблюдателя в фокусе. Свет от объекта тогда формирует кольцо с Солнцем по центру. В гравитационном фокусе на минимальном расстоянии кольцо будет касаться края солнечного диска, но на большем удалении между кольцом и солнечным диском возникнет промежуток.
Сигнал от Солнца во много раз сильнее чем создаваемое гравитационной линзой изображение (кольцо Энштейна), таким образом, требуется применение устройства для создания затмения, типа, так называемого, коронографа. Обычно это безосновательно отбрасывают (ха-ха - прим Gleb1964), но эта проблема нетривиальная. Добавляет трудности то, что Солнце не может считаться точечным объектом, так как угловой размер солнечного диска по размеру сравним (хотя должен быть меньше) с промежутком между диском и кольцом Энштейна, для того чтобы быть отображенным (разрешенным).
Эта проблема аналогична той, что рассматривается при использовании коронографов для прямого наблюдения экзопланет, и об этом есть существенный объем литературы, касающийся проблемы, к которой можно адресовать; таким образом я не буду углубляться здесь далее в детали.
Свет от материнской звезды (экзопланеты) тоже должен быть блокирован. Несмотря на усиление гравитационной линзы, свет от материнской звезды будет на много порядков ярче чем планета и будет исходить с очень близкого расстояния, меньше угловой секунды, от планеты.

Текст из источника:

[LV46]

Я вам еще один плюс поставлю, когда выйдет время. За разумные и реалистичные аргументы в отличии от "реалистичных" мечтаний автора.

[gans2]

Фокальная ЛИНИЯ, а не "фокус". Усиление Солнцем продолжается вдоль всей фокальной линии. Но Вы продолжайте опровергать...

Наверно мегаэксперт по блохам расскажет как будет выглядеть усиленное гравитацией Солнца изображение Скорпион-А на расстоянии 1000 А.Е.?
 

[gans2]

ССылка второй раз для эксперта по блохам.

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433637/Solntse_stanet_teleskopom

Изображение экзо-Земли солнечной гравитационной линзой. На расстоянии в 650 а. е. от Солнца экзо-Земля занимает площадь 1,5 км × 1,5 км в плоскости изображения. Использование 1-метрового телескопа обеспечивает изображение 1000 × 1000 пикселей или с разрешением 10 км × 10 км на ее поверхности

фокус ГЛС представляет собой полубесконечную прямую, которая начинается с расстояния примерно в 547 астрономических единиц (а. е.) от Солнца,

 Таким образом, у гравитационной линзы нет фокуса в привычном смысле, а есть фокальная линия. В случае ГЛС, фокальная линия — это совокупность точек пространства, находящихся на линии, соединяющей центры Солнца и наблюдаемой экзопланеты и расположенных за пределами 547 а. е. на противоположной от экзопланеты стороне Солнца. 
Вячеслав Турышев,
лаборатория реактивного движения НАСА, Калифорнийский технологический институт


Правда опять уперлись в световой, а не радиоволновой диапазон. Знают, что на картинку грант ддадут толще...

[gans2]

Во какую древность раскопал!
http://www.astronet.ru/db/msg/1187127

Осталось определить
-на каком расстоянии на фокальной линии кольцо Скорпиона-А будет излучать в радиодиапазоне ярче Солнца
-если два приемника расположить на расстоянии таком, что бы один видел левую картинку, а второй правую, то в радиодиапазоне достаточно вычесть изображение Солнца. И зачем коронограф?

[Gleb1964]

Фокальная ЛИНИЯ, а не "фокус".

А я, собственно, не сомневался, что Вы об этом осведомлены.
Но "точечный" приемник (в таких масштабах) летит вдоль линии и в каждый момент времени находится на определенном расстоянии, в фокусе конкретной зоны, радиус которой связан с фокусом формулой: 

Во какую древность раскопал!
http://www.astronet.ru/db/msg/1187127

Это качественный источник. Вот из него цитата:

Еще раз стоит подчеркнуть, что отмеченная особенность гравитационных линз, а именно, возникающая бесконечность коэффициента усиления, характерна для всей фокальной полуоси. Подобная бесконечность появляется и в оптических линзах, только наблюдается она всего в одной фокальной точке F = D оптической оси. Рассмотренное бесконечное значение коэффициента усиления по физическим представлениям является следствием приближения геометрической оптики, игнорирующей волновую природу света. Законы геометрической оптики применимы лишь в предельном идеализированном случае, когда длина волны считается бесконечно малой величиной. В этом приближении точечным источникам соответствуют точечные изображения, порождающие бесконечные яркости. В волновой же оптике пучок света, излучаемый даже точечным источником, никогда не даст точечного изображения, его размеры пропорциональны длине волны , т.е. всегда будут конечными, а значит конечным будет усиление излучения.

Но даже в этом, качественном источнике, есть одна неточность - автор в нескольких местах позволяет себе говорить об "усилении яркости". Строго, в оптике яркость точечного источника не определена (иначе надо вводить бесконечную яркость). Яркость определена только для источников с конечным телесным размером и в оптике есть теорема о сохранении яркости (как следствие Liouville theorem), а проще - яркость не усиливается. Усиливаться может световой поток, который определяется произведением телесного угла на яркость, гравитационная линза может увеличивать поток только за счет увеличения телесного угла, заполненного яркостью объекта. Это же касается любых оптических (и радио) систем без лазерного усиления.

Осталось определить
-на каком расстоянии на фокальной линии кольцо Скорпиона-А будет излучать в радиодиапазоне ярче Солнца
-если два приемника расположить на расстоянии таком, что бы один видел левую картинку, а второй правую, то в радиодиапазоне достаточно вычесть изображение Солнца. И зачем коронограф?

Что такое Скорпион-А? В лучшем случае я могу предположить, что имелся ввиду Sagittarius A.
И скажем так - не будем путать яркость и поток. Если Sagittarius A ярче Солнца в радиодиапазоне, то и яркость кольца будет ярче Солнца. Но здесь есть большое "НО" - яркость определена только для пространственно разрешенных источников. Если размеры источника меньше пределов, определенных дифракцией света, то его наблюдаемая яркость падает, будучи размазанной дифракцией.
Поток на приемнике определяется произведением телесного угла на яркость. Взяв цифры - поперечник радиоисточника в Sagittarius A 50 миллионых долей угловой секунды, легко считается, что телесный угол кольца Энштейна в лучшем случае будет в на 4 порядка меньше телесного угла Солнца. Это для удаления 550 а.е., дальше будет хуже. Это значит, что на фокальной линии не отыщется такой точки, где поток от Sagittarius A превысит поток от Солнца.
Второе предложение о "вычитании изображения Солнца" нереализуемо. Вы в курсе, как радиотелескоп строит изображение? Поточечно, сканируя источник диаграммой направленности, которая у одиночных радиотелескопов очень широкая, по сравнением с оптическими телескопами.