A Nap fókuszában
A Naprendszerben és azon túl - A SETI szépsége /Almár Iván/

Van-e a Napnak fókusza? Köznapi értelemben legfeljebb a napsugarakat fókuszáljuk, vagyis koncentráljuk egy üveglencse segítségével egy pontba. Közismert, hogy a fókuszpontban összegyűjtött napsugarak intenzitása megnő, például kiégeti az odahelyezett papírt. Az is köztudott, hogy a lencse nagyított képet alkot a tárgyról, és ily módon megnövelhetjük szemünk felbontóképességét. Ez a lencsés nagyítók alapelve. Mindez azért jön létre, mert az üveglencsében a fénytörés a fókuszpontba téríti a párhuzamosan beérkező fénysugarakat.

Az általános relativitáselmélet egyik következményeként a fénysugár eltérülhet más okból is, nemcsak a különböző törésmutatójú közegek határán. Pontosabban mindenféle hullámhosszú elektromágneses, sőt egyéb hullámra is vonatkozik az a többféleképp kísérletileg igazolt megállapítás, hogy útjukat, terjedésüket a világűrben kismértékben a gravitációs tér is befolyásolja. A sugárzás útja akkor görbül el észrevehető mértékben, ha egy igen nagy tömegű égitest erős gravitációs terén halad keresztül, például megközelít egy csillagot. Tulajdonképpen az történik, hogy az erős gravitációs tér deformálja a teret. Ezt a jelenséget Einstein 1916-ban előre jelezte, és később Eddington és más csillagászok - teljes napfogyatkozáskor a Naphoz az égen közel lévő csillagok kissé megváltozott pozíciójának mérésével - igazolták is.

További évtizedekig tartott, amíg a csillagászok felismerték, hogy ez a jelenség bizonyos körülmények között hasznosítható igen távoli égitestek megfigyelésére. Nyilvánvaló, hogy a fénysugár nemcsak elhajlik, hanem a fókuszban fel is erősödik, továbbá leképezés jön létre. Az első példát erre a "gravitációs lencsének" nevezett jelenségre csak 1978-ban találták meg, amikor feltűnt, hogy bizonyos távoli kvazárok esetében kettős kép jelenik meg az égen! Hamarosan bebizonyosodott, hogy egyetlen égitest két képéről van szó, amelyet egy közelebbi gravitációs lencse hoz létre. A "lencse" ez esetben a pontosan a kvazár és köztünk, a látóirányban lévő galaxis (esetleg galaxis halmaz). Ez a jelenség, amelyre azóta számos példát találtak az égen, bebizonyította, hogy ez a bizonyos galaxis a távcső lencséjeként működik, és leképezi a mögötte lévő kvazárt. (Galaxisra van szükség, mert a csillagok szögátmérője olyan kicsi, hogy gyakorlatilag sohasem kerül pontosan mögéjük - kellő távolságra - egy másik égitest.)

De mi a helyzet a hozzánk legközelebbi csillaggal, vagyis a Nappal, amelynek igazán elég nagy a látszó szögátmérője? Eshleman már 1979-ben kiszámította, hogy a Nap fókusza a napkorongot éppen súroló fénysugarak számára 550 csillagászati egység távolságban található. Ez a Nap, mint gravitációs lencse, minimális fókusztávolsága, amelynek kiszámítására a következő egyszerű képlet szolgál

d = Rnap 2 c2/4GMNap

ahol Rnap a Nap sugara, Mnap a tömege, G a gravitációs állandó.

(A d=550 CSE éppen 3,17 fénynapnak felel meg, ami tizennyolcszorosa a Neptunusz átlagtávolságának. A legközelebbi csillag 4 fényév távolságban van.) Fontos megjegyezni, hogy ezen a d sugarú gömbön elhelyezkedő pontokban csak a Nap korongját éppen súroló sugarak egyesülnek, ha ennél messzebb van a sugárforrás a Nap peremétől, akkor a fény görbülete kisebb lesz és a fókusztávolság kijjebb tolódik. (lásd 20. ábra, amelyen két tipikus sugármenet látható.)

Eshleman kiszámította a Nap-távcső nyereségét, illetve nagyítását is. A Nap "antenna nyeresége":

Gnap= 8pi2GMNapv/c3

ahol v a frekvencia. Természetesen a fókuszban vevőantennára is szükség van. Ennek nyeresége:

Gantenna= 2pi2rant 2v2/c2

ahol rant az antenna mérete. A teljes nyereséget akkor kapjuk, ha a két értéket összeszorozzuk:

Gteljes= GNapGantenna = 16pi4GMNaprant 2v3/c5

A rendszer nyeresége a frekvencia köbével nő, ezért a rádiótartományon belül a mikrohullám a leképezés szempontjából előnyös. A 6. Táblázatban összefoglaltuk, hogy mekkora nyereség várható decibelben (dB) különböző hullámhosszakon, ha egy 12 m átmérőjű antennával felszerelt űreszköz működik a Nap fókuszában, és a Napot távcsőként használva méri a Nap mögé lépő sugárforrásokat. A nyereség elképesztően nagy, például a 115 dB több, mint 740 milliárdszoros erősítésnek felel meg!

6. Táblázat Várható nyereség különböző hullámhosszakon
Vonal | semleges hidrogén | OH | OH | H2O | H2O
v (Hz) | 1420 M | 327 M | 1.6 G | 5 G | 22 G
lambda (cm) | 21 | 92 | 18 | 6 | 1.35
Gteljes (dB) | 99.5 | 80.3 | 101 | 115 | 136

Hasonlóképpen kiszámítható az elérhető szögfelbontás is az alábbi képlettel:

Q = c2/2pi2 v gyök(GMNapz)

ahol z az űreszköz távolsága a Naptól a mérés idején. A képlet szerint a felbontás javul, ha távolodunk a vevővel a Naptól. Néhány példát itt is felsorolunk. Míg az eddig elért legjobb szögfelbontás, a Hipparcos holdé 2 mas körüli, addig a Nap, mint gravitációs lencse és egy 12 m-es vevőantenna által közösen elérhető szögfelbontás 1420 M Hz-en 550 CSE távolságból 6,3*10-6, illetve 22 G Hz-en már 4.10-7 ívmásodperc. Szemléletesebb, ha különböző csillagászati távolságokra megadjuk, hogy mekkora az a méret, amelyet a Nap-távcső még fel tud bontani, vagyis mekkora az Ro felbontóképesség

7. táblázat Várható felbontás különböző frekvenciákon és távolságokban
v | 1420 M Hz | 327 M Hz | 1.6 G Hz | 5 G Hz | 22 G Hz
Ro 0.5 fé (Oort) | 145 km | 632 km | 129 km | 41 km | 9 km
Ro 4.3 fé (alfa Cen) | 1248 km | 5422 km | 1108 km | 2719 km | 81 km
Ro 32.6 fé (10 pc) | 9576 km | 41583 km | 8499 km | 2719 km | 618 km
Ro 32600 fé (Galaxis központ) | 0.064 CSE | 0.278 CSE | 0.056 CSE | 0.018 CSE | 0.004 CSE
Ro 160000 fé (Magellan) | 0.32 CSE | 1.39 CSE | 0.28 CSE | 0.09 CSE | 0.02 CSE
Ro 60 millio fé (M87 Galaxis) | 116 CSE | 506 CSE | 103 CSE | 33 CSE | 7 CSE

A kilencvenes évek elejétől kezdve az olasz Claudio Maccone matematikus elkezdett komolyan foglalkozni a Nap-távcső használatával, mint reális űrkutatási programmal. Sorra szervezte a nemzetközi konferenciákat, könyveket írt és megnyerte a legjobb szakembereket arra, hogy együtt dolgozzanak ki egy olyan űrprogramot, amelynek célja alkalmas vevőberendezés eljuttatása a Nap fókuszába, legalább 550 CSE távolságra. A program azóta folyamatosan fejlődik. Kezdetben a SETISAIL, illetve ASTROSAIL nevet viselte attól függően, hogy a megfigyelési program fő pártfogójának a SETI vagy az asztrofizikus közösséget szánták, később FOCAL néven szerepelt. 1993-ban még formális javaslat is született, amelyet benyújtottak az Európai Űrügynökségnek (ESA), de támogatást nem nyert. Viszont érdeklődésre talált Amerikában, főleg a JPL-nél. 1996-ban és 1998-ban folytatódott a Maccone által szervezett FOCAL szimpóziumok sorozata, és az elképzelés lassan, de folyamatosan halad a megvalósítás felé.

A szakemberek általában az alábbi feladatokban látják a FOCAL megvalósításának fő műszaki problémáit. Az asztrodinamikai feladat nehézsége abban áll, hogy nagy sebességgel kell elhagyni a Naprendszert ahhoz, hogy a szonda egy reális, általában 50 évnek tekintett időszakon belül eljusson céljáig. (Azért éppen ennyi, hogy egy fiatal kutató, aki elkezdte a programot, egy fél évszázad elteltével szerencsés esetben még megérhesse a szonda megérkezésének örömét.) Ehhez viszont el kell érni az 50 km/mp haladási sebességet. Vegyük figyelembe, hogy a bolygók felé elegendő 11-13 km másodpercenként, vagyis a jelenlegi űrszondák csak vánszorognak a Naprendszerben. A csillagközi tér felé haladó Voyager űrszondák 3,5 csillagászati egységet tesznek meg egy év alatt, vagyis 157 év alatt tesznek meg 550 CSE-nyi távolságot.

Meglepő módon ez a nagy sebesség úgy érhető el a legkönnyebben, ha a szonda előbb szorosan megközelíti a Napot, majd ott gyorsítják fel valamilyen módszerrel. A Nap megközelítése egyúttal abban is segít, hogy a szonda pályáját megfelelő irányba állítsák be úgy, hogy a megfigyelendő égitest irányával pontosan ellentétesen repüljön kifelé a Naprendszerből. Ez a manőver önmagában is nagy problémát jelent. A Nap felé az Ulysses űrszondánál gyakorlatban is kipróbált utat célszerű járni, amely a Jupiter megközelítésén keresztül vezet. Még egyszer lehet hasznos a Jupiter melletti elrepülés, amikor a szonda már kifelé repül a Naprendszerből. Az óriásbolygó gravitációs ellendítését ugyanis igénybe lehet venni a végső pálya pontos beállításához (21. ábra). A pályaszámításokat a JPL-ben végezték el egy korábban Amerikában tervezgetett űrprogram, a TAU (Thousand Astronomical Units - ezer csillagászati egység) számára, amelynek célja nem a Nap fókuszának elérése, hanem egyszerűen a Naprendszer elhagyása és a csillagközi tér kutatása lett volna.

A második probléma a meghajtás, amely a pályával természetesen összefügg. A hagyományos rakétameghajtás lehetséges, de igen költséges megoldás lenne. Előnye, hogy sokszorosan kipróbált eljárásról van szó, hátránya viszont, hogy fel kell vinni a nagytömegű hajtóanyagot, amely azután egyetlen lökéssel elindíthatja a rakétát a cél irányába. A számítások szerint a Naphoz igen közel, alig két Nap-átmérőnyire kellene a végső gyorsítást elvégezni, hogy a 10 CSE/év végsebesség létrejöhessen. A másik lehetséges megoldás, az ionrakéta annyiban kedvezőbb, hogy viszonylag kevés a fedélzeten magával viendő hajtóanyag. Ez azután töltött részecskék formájában repülne ki igen nagy sebességgel a nagy elektromos térrel folyamatosan gyorsító ionrakétából. A rendszer túlzottan energiaigényes, és lényegében kipróbálatlan. A harmadik megoldási lehetőséget, a napvitorlást Matloff, Mallone, Vulpetti és mások dolgozták ki. Itt a meghajtó erő a sugárnyomás - akár a Napé akár egy nagyon erős lézerágyúé. A Nap sugárnyomása azért előnyös megoldás, mert ingyen van, hajtóanyagot a szondának nem kell magával vinnie, és bár igen gyenge hatás, de folyamatosan működik. Ezért hosszú idő alatt jelentősen felgyorsítja a megfelelően kialakított, könnyű űreszközt. Ehhez természetesen igen nagy felületű "vitorlával" rendelkező szonda kell, hiszen mennél nagyobb a vitorla felülete, annál nagyobb a sugárnyomás hatása. A tervek 100 m-es, vagy még nagyobb, alumíniummal bevont, alig tizedmikron vastagságú, mylar műanyagfóliáról szólnak, amely persze csak a világűrben bomlik ki. Strobl szellemes ötlete szerint a vitorlát később parabolaantennává kellene alakítani, hogy hatalmas antennafelületként üzemeljen, amely biztosítja a mérési eredmények továbbítását a Földre, és a Földdel való kapcsolatot.

A megoldandó műszaki problémák száma igen nagy. Mivel a FOCAL űrszonda az út kezdetén legalább 0,3 CSE-nyire megközelítené a Napot (mivel ott erősebb a Nap sugárnyomása, és ez fontos a kezdeti lökés nagysága szempontjából) gondoskodni kell hőpajzsról, hővédelemről is. Magának a rendkívül kistömegű (néhány kilogrammos?) űrszondának olyan önműködő, önálló, sőt önmagát javító robotnak kellene lennie, amely akkor is működőképes marad, ha a hosszú idő alatt a földi irányítás teljesen elfeledkezik róla. Ötven év több, mint amennyi az űrkorszak kezdete óta eltelt, így semmiféle tapasztalatunk nincs még arról, hogy a világűrben fél évszázadig működésképesek maradnak-e egyáltalán a berendezéseink. Ezt a Földön előre kipróbálni sem lehet. Nyilván minden fontos egységet többszörözni kell a fedélzeten, hogy az egyik végleges kiesése esetén azonnal átvehesse szerepét a másik. (Egyes számítások szerint kilencszeres redundanciára lenne szükség, ami azt jelenti, hogy amíg egy berendezés dolgozik, a többi nyolc ki van kapcsolva.) Ez a többszörözés azonban jelentősen megnövelné a szonda tömegét és költségeit is. Mind műszaki, mind tudományos szempontból persze előnyös lenne, ha nem egy, hanem több FOCAL szondát indítanának egyidejűleg, különböző irányokba; ez azonban anyagi okok miatt aligha remélhető. Végül az is rendkívül fontos követelmény, hogy a szonda pontosan az előre kijelölt irányba hagyja el a Naprendszert, hiszen a "Nap-távcső" csak a mögötte lévő égitesteket képezi le, más irányba nem fordítható.

Ma még viszonylag keveset foglalkoznak a FOCAL célpontjainak kutatásával, tudományos programjával. Maccone új könyvében 1 a következő műszereket javasolja:

- optikai/infravörös távcső
- kozmikus sugárzás detektor
- pordetektor
- töltött részecske detektor
- semleges részecske detektor
- gammasugár spektrométer
- magnetométer
- plazmahullám detektor
- ultraibolya spektrométer
- igen alacsony frekvenciájú rádióantenna
- rádiótávcső és detektor.

Mint a felsorolásból érezhető, Maccone a FOCAL-t igen sokcélú űrszondának szánja, amely a csillagközi térbe hatolva elvégzi az ott található részecskék, hullámok, por, mágneses tér stb. vizsgálatát is. Emellett a Naprendszer határvidékén távcsöveivel felfedezésre váró égitestek után is kutathat. Ami a mikrohullámú Nap-távcső lehetséges célpontjait illeti, leggyakrabban a Tejútrendszer középpontját említik, mint olyan helyet, ahol különösen izgalmas asztrofizikai folyamatok zajlanak. (Tegyük ismét hozzá, hogy 550 CSE csak a minimális távolság, ahol a leképezést már érdemes megkísérelni, de ott még biztosan erősen zavar a napkorona hatása. Sokkal messzebbre kell repülni ahhoz, hogy a leképezés zavartalan legyen.)

De hol van itt a SETI alkalmazás? Nos e pillanatban még nem igazán világos, hogy a SETI programok keretében mire lehetne optimálisan használni a Nap-távcső szédületes erősítését és felbontását. Magam részéről meg vagyok győződve arról, hogy a FOCAL-nak igen fontos szerep juthat abban az esetben, ha a SETI kutatások egy-két évtizeden belül valahol távol, a Tejútrendszer mélyén egy egykori vagy mai civilizáció nyomaira bukkannak. A FOCAL ugyanis egyedülálló lehetőséget kínál egy ilyen csillag környezetének alapos tanulmányozására. Elképzelhető, hogy amikorra a FOCAL álmodozásból műszaki tervvé érik, amelyre különböző okokból pénzt áldoznak, akkorra felbukkan egy vagy több olyan izgalmas célpont, például lakható vagy lakottnak tűnő bolygórendszer, amely a FOCAL által biztosítható "mikroszkópos" vizsgálatot kiérdemli. Még egy másik lehetőséget is meg kell említeni. A Nap-távcső természetesen fordítva is használható, vagyis üzenethordozó sugárzás felerősítésére egy kiválasztott irányba. Lehet, hogy idegen civilizációk szorgalmasan használják is ezt a lehetőséget, és viszonylag kis energiafelhasználással, de saját csillaguk távcsőszerű felhasználásával érintkeznek egymással.

Bár közvetlenül nem tartozik a SETI témához, de teljesség kedvéért megemlíthető, hogy Maccone felhívta a figyelmet a Nap-távcső egy lényegesen közelebbi fókuszpontjára is - nem az elektromágneses sugárzás, hanem a feltételezett gravitációshullámok számára. Minthogy a rádióhullámokkal és a fénnyel ellentétben ezeket a hullámokat csak a Nap legbelső, legsűrűbb magja téríti el, a fotoszféra és más külső rétegek gyakorlatilag nem, ezért fókusza nincs messzebb az Uránusz vagy a Neptunusz távolságánál, pontosabban 22,5-29,5 csillagászati egység. Oda kellene tehát megfelelő detektorokat juttatni annak érdekében, hogy a felerősített és fókuszált gravitációs hullámokat fel lehessen fedezni. A számítások szerint 2012 és 2030 között jó alkalom lenne az Uránusz, illetve 2030 és 2061 között a Neptunusz környékére küldeni egy-egy bolygókutató szondát, amely egyben alkalmas a gravitációs hullámok detektálására is. Ekkoriban ugyanis ezek a bolygók éppen a Tejútrendszer középpontjával ellentétes irányban tartózkodnak, amely pedig feltehetőleg a gravitációs hullámok erős forrása.

Ezzel a jövőbe vezető utak ismertetésének végére jutottunk, legalábbis ami a belátható műszaki fejlődést, és várható eredményeit illeti. A SETI kutatásokra ezek szerint fényes jövő vár, de mit adtak eddig ezek a kutatások a jelen társadalmának és tudományának? Erre kíván válaszolni a következő fejezet.

1. Claudio Maccone:The Sun as a Gravitational Lens: Proposed Space Missions, 1997

Előző fejezet - Tartalomjegyzék - Következő fejezet

SETI - Földönkívüli Intelligens Élet Kutatás
tudományos módszerekkel
Frissítve: 2000-10-05 Távkapcsolat Co.