Tänk om vi kunde ta en bild av en jordliknande planet runt en annan stjärna som var tillräckligt skarp för att se kontinenter, hav, och moln?

Just nu, det är omöjligt. Från vår utsiktsplats, exoplaneter – planeter som kretsar kring andra stjärnor – ser ut som eldflugor bredvid strålkastare. På de få bilder vi har lyckats ta av dem, exoplaneterna är bara prickar. Även när nästa generation av rymdteleskop kommer online, detta kommer inte att förändras – du skulle behöva ett 90 kilometer brett teleskop för att se ytegenskaper på en planet 100 ljusår bort.

En grupp forskare har en djärv plan för att övervinna dessa svårigheter. Det innebär att man använder rymdfarkoster för solsegel – möjligen en hel flotta av dem – för att flyga snabbare och längre bort från jorden än någon tidigare rymdsond, vänd dig om, och använda vår avlägsna sols gravitation som ett gigantiskt förstoringsglas. Om det fungerar, vi tar en bild av en exoplanet så skarp att vi kan se särdrag bara 10 kilometer tvärs över.

Projektet, kallad Solar Gravity Lens, eller SGL, låter som något direkt ur science fiction. NASA och en samling universitet, flygföretag och andra organisationer är involverade, samt Planetary Society medgrundare Lou Friedman, den ursprungliga solseglingsgurun.

"Jag är alltid exalterad över att försöka få något att hända som inte kan hända på något annat sätt, sa Friedman, en konsult för SGL-projektet som ledde en NASA-ansträngning på 1970-talet för att skicka en solsegelfarkost till Halley's Comet. "Hela anledningen till att vi började med solsegling på The Planetary Society var för att det tillät oss att ta första steg mot interstellär utforskning. Vårt LightSail fungerade riktigt bra, och dess framgång ger förtroende och trovärdighet åt idén om att segla genom solsystemet."

Planen har många hinder, men utdelningen skulle vara otrolig, sa Slava Turyshev, en fysiker vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory som leder projektet Solar Gravity Lens.

"Inom vårt solområde, som vi klassificerar som inom 100 ljusår, vi har identifierat flera exoplaneter som kan vara i den beboeliga zonen av deras stjärna, sade Turyshev, hänvisar till det inte alltför heta, inte för kallt område runt en stjärna där flytande vatten kan finnas. "Och nu har vi frågan, vad skulle vi göra om vi hittade något som tyder på att det finns liv på en exoplanet? Kan vi resa dit, eller åtminstone se det?"

Hur det fungerar

Albert Einstein förutspådde för över ett sekel sedan idén att gravitation kan böja och förstora ljus, ett koncept som kallas gravitationslinsning. Ur en observatörs synvinkel, ljus från ett avlägset föremål som passerar nära ett massivt förgrundsobjekt förvrängs och förstoras, förutsatt att observatören är på rätt plats, känd som kontaktpunkten. Det liknar hur du kan fokusera en kamera genom att hitta rätt avstånd från ditt mål, istället för att justera kamerans fokus.

Rymdteleskopet Hubble och andra observatorier har sett detta fenomen:fläckiga bågar och ringar från avlägsna galaxer, förvrängd och förstorad av gravitationen hos närmare galaxer.

Forskarna bakom SGL-projektet säger att vi kan göra samma sak för exoplaneter – vi behöver bara resa till brännpunkten. För en exoplanet 100 ljusår bort, brännpunkten är 97 miljarder kilometer (60 miljarder miles) bort – 16 gånger längre från solen än Pluto. Voyager 1, som har vågat sig längre ut i rymden än något annat mänskligt skapat föremål, har bara rest omkring 20 miljarder kilometer (13 miljarder miles), och det tog rymdfarkosten 40 år att komma dit.

Lösningen för att komma dit snabbare? Solsegling.

Solsegel fångar ljusets rörelsemängd från solen och använder den rörelsemängden som framdrivning. Genom att använda denna teknik, en SGL rymdfarkost skulle flyga nära solen, ta fart och kasta sig mot de yttre delarna av vårt solsystem, gör resan på bara 25 år.

Istället för det stora, tunga rymdfarkoster som använts tidigare, forskarna föreställer sig små, fjädrande sonder som kan fånga raketturer till rymden med andra uppdrag för att minska uppskjutningskostnaderna. En möjlighet är att använda svärmar av bröd-stora CubeSats, liknande LightSail 2, som kan monteras själv för att skapa en större, enda optiskt system. Om rymdfarkosterna är tillräckligt billiga, uppdrag kan skickas till kontaktpunkter för flera exoplaneter.

I fokusområdet, ljuset från exoplaneten skulle smetas in i en cirkel känd som en Einstein-ring. Ringen skulle innehålla 2 delar. En del skulle komma från en singel, 10 x 10 kilometers del av exoplaneten och ger bara en enda pixel i den slutliga bilden. Delen skulle innehålla ljus från resten av exoplaneten. När rymdfarkosten rusar genom fokusområdet, den skulle behöva flytta runt med miniatyrjonpropeller – solljus skulle vara för svagt för solsegling på detta avstånd – för att ändra den del av exoplaneten som är i fokus.

Med rätt optik, att ta 1 miljon bilder av ringarna från olika platser kan ge en bild som liknar den som Apollo 8-astronauterna tog från månen 1968, och fånga ytegenskaper så små som 10 kilometer i diameter.

Är det genomförbart?

De tekniska utmaningarna för SGL är skrämmande, minst sagt. Till att börja, det är frågan om exakt navigering, kommunikation över långa avstånd, och behovet av ett solskydd för att hindra vårt eget solljus från att komma in i teleskopet. En koronagraf skulle också krävas för att blockera ljuset från exoplanetförälderns stjärna.

NASA tror på konceptet tillräckligt för att nyligen ha tilldelat det ett anslag på 2 miljoner dollar från sitt NIAC-program (NASA Innovative Advanced Concepts). NIAC, som har funnits sedan 1998, ger såddpengar för att hjälpa innovativa idéer att komma från ritbordet. SGL är bara den tredje studien i programmets historia som når projektets tredje fas.

Projektets framgång kan vara i dess mångsidiga team, ett unikt tillvägagångssätt för NIAC-projekt. Samarbetet inkluderar flera forskare från JPL och flera universitet, inklusive UCLA, University of Arizona, och Wesleyan University. Rymdföretagen The Aerospace Corporation och NXTRAC Inc. är involverade, som båda är specialiserade på uppdragsdesign och tekniska analyser. Denna multi-organisatoriska ansträngning sammanför de senaste tekniska innovationerna, såsom banbrytande teknologier i solsegel, artificiell intelligens, nanosatelliter, och formationsflygning.

"Ett uppdrag som SGL kan leda till en transformation i hur vi utforskar rymden, sa Thomas Heinsheimer, den tekniska medledaren för SGLF-uppdraget från partnering Aerospace Corporation, "utgående från de stora kostsamma rymdfarkosterna som har tjänat oss väl tidigare, till svärmar av små farkoster, arbetar tillsammans, att göra nya upptäckter långt från jorden. SGL skapar en utforskningsarkitektur för många rymdfarande organisationer att arbeta tillsammans för att svara på en inspirerande fråga:"Är vi ensamma i universum?"

Turyshev tror att den nuvarande generationen kanske kan svara på denna fråga, med SGL som en "kontaktpunkt" för att hjälpa till att omvandla rymdindustrin till ett mer kooperativt företag.

"SGL kan ge den punkten för flera teknikinsatser för att verkligen dra oss framåt för att ta det första steget utanför solsystemet, " sa han. "Den nödvändiga teknologierna finns redan, men utmaningen är hur man använder sig av den tekniken, hur man kan påskynda sin utveckling, och sedan hur man bäst använder dem. Jag tror att vi är i början av en spännande period inom rymdindustrin, där det skulle vara praktiskt att komma till SGL, och vetenskapligt spännande."