Новая обсерватория поиска обитаемых миров сможет ответить на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной

Диаграмма экзопланет, открытых на конец 2017 года

Есть несколько вопросов, над которыми человечество всегда размышляло, но не могло удовлетворительно ответить, пока не появились соответствующие научные достижения. Такие вопросы, как «что такое Вселенная», «откуда она взялась», «как она стала такой» и «какова её конечная судьба» были с нами с незапамятных времён, но в XX и в XIX веках, благодаря невероятным достижениям в области физики и астрономии, наконец, получили исчерпывающие ответы. Однако, возможно, самый большой вопрос из всех – «Одиноки ли мы во Вселенной?» — остаётся без ответа.

Хотя современное поколение наземных и космических телескопов помогает нам заглядывать очень далеко, этот вопрос пока остаётся за пределами нашей досягаемости. Чтобы ответить на него, нам необходимо получить прямые изображения экзопланет — планет с размерами и температурой, похожими на Землю, но вращающихся вокруг звёзд, подобных Солнцу, а не более распространённых красных карликовых звёзд, таких как Проксима Центавра или TRAPPIST-1. Именно к этому стремится НАСА в рамках своей недавно объявленной главной миссии – «Обсерватории по поиску обитаемых миров» [Habitable Worlds Observatory, HWO]. Это амбициозный проект, но он того стоит. В конце концов, выяснение того, что мы не одиноки во Вселенной, возможно, станет крупнейшей революцией в истории науки.

В 2023 году у нас есть три основных способа поиска инопланетной жизни:

1. Мы исследуем планеты и спутники в нашей Солнечной системе, включая Марс, Венеру, Титан, Европу и Плутон дистанционно, с помощью пролётных миссий, орбитальных аппаратов, посадочных аппаратов и даже вездеходов в поисках признаков наличия в прошлом или даже в настоящем жизни.
2. Мы изучаем экзопланеты, ищем доказательства того, что на них есть жизнь, от поверхности до атмосферы и далее, на основе наблюдаемых признаков цвета, сезонных изменений и состава атмосферы.
3. Мы ищем любые сигналы, которые могли бы открыть присутствие разумных инопланетян с помощью таких проектов, как SETI и Breakthrough Listen.

У всех трёх подходов есть свои преимущества и недостатки, но большинство учёных считают, что именно второй вариант с наибольшей вероятностью будет успешным.

Если для существования жизни необходимы условия, схожие с земными, мы вполне можем оказаться единственным миром в Солнечной системе, где жизнь когда-либо развивалась, выживала и процветала. Если поблизости нет разумных, активно вещающих в радиодиапазоне цивилизаций, SETI не принесёт никаких положительных результатов. Но если жизнь есть хотя бы на небольшой части существующих миров с похожими на Землю свойствами, изучение экзопланет может принести успех там, где два других варианта успеха не дадут. И мы прошли очень долгий путь в изучении экзопланет: в пределах Млечного Пути есть уже более 5000 известных, подтверждённых экзопланет, и мы знаем массу, радиус и орбитальный период большинства из них.

К сожалению, этого недостаточно, чтобы узнать, является ли какой-либо из этих миров обитаемым. Чтобы сделать такое заключение, нам нужно нечто большее. Нам нужно знать такие вещи, как:

• Есть ли у экзопланеты атмосфера?
• Есть ли на ней облака, осадки и погодные циклы?
• Становятся ли зелёными и коричневыми её континенты в зависимости от времени года, как это происходит на Земле?
• Есть ли в её атмосфере газы или их комбинации, которые намекают на биологическую активность, и демонстрируют ли они сезонные изменения, как это происходит с уровнем CO₂ на Земле?

Сегодня на переднем крае науки такие измерения выполняют космический телескоп Уэбб и наземные телескопы 10-метрового класса. Они получают прямые изображения экзопланет и проводят транзитную спектроскопию.

К сожалению, этих технологий недостаточно для достижения нашей цели — измерения свойств планет земного размера на землеподобных орбитах вокруг звёзд, похожих на Солнце. При прямой съёмке мы можем сфотографировать планеты размером с Юпитер, которые находятся на расстоянии от Солнца, превышающем расстояние до Сатурна: это хорошо для изучения газовых гигантов, но не очень хорошо для поиска жизни на каменистых планетах. С помощью транзитной спектроскопии мы можем увидеть свет, проходящий через атмосферу суперземных планет вокруг красных карликовых звёзд, но планеты земного размера вокруг звёзд, похожих на Солнце, находятся далеко за пределами досягаемости нынешних технологий.

Это многообещающее начало, но эту технологию нужно развивать, если мы надеемся достичь полного успеха — найти и описать обитаемую планету. В настоящее время мы создаём следующее поколение наземных телескопов, открываем эру 30-метровых телескопов (GMTO и ELT), и с нетерпением ждём следующей флагманской миссии НАСА в области астрофизики: «Телескоп имени Нэнси Роман», который будет обладать теми же возможностями, что и Хаббл, но с более совершенными приборами, полем зрения, в 50-100 раз превышающим возможности Хаббла, и коронографом, позволяющим получать изображения планет в бликах света их родительских звёзд, которые примерно в 1000 раз тусклее, чем те, что может увидеть Уэбб.

Однако даже с учётом этих достижений мы получим планеты размером с Землю только вокруг ближайших красных карликовых звёзд и планеты размером с суперземлю или мини-Нептун вокруг звёзд, похожих на Солнце. Чтобы получить изображение действительно похожей на Землю планеты, необходима усовершенствованная обсерватория с ещё большими возможностями.

Транзитная спектроскопия позволяет сделать вывод об атмосфере экзопланеты, когда она проходит на фоне родной звезды

К счастью, наши технологии не стоят на месте, как и наши идеи в отношении открытий и исследований. Каждое десятилетие Национальная академия наук собирается вместе, чтобы определить самые приоритетные направления астрономии и астрофизики, давая рекомендации в рамках десятилетнего обзора. В последний раз ею были предложены четыре флагманские миссии:

1. Lynx — рентгеновская обсерватория следующего поколения, особенно актуальная с учётом сокращения масштабов предстоящей миссии ЕКА Athena.
2. Origins — обсерватория следующего поколения для работы в дальнем инфракрасном диапазоне, заполняющая пробел в обзоре Вселенной на некоторых длинах волн.
3. HabEx — однозеркальный телескоп, предназначенный для прямого наблюдения ближайших планет, похожих на Землю.
4. LUVOIR — амбициозный гигантский сегментированный телескоп, который станет универсальной астрономической «обсерваторией мечты».

Хотя рекомендация заключалась в том, чтобы в конечном итоге были построены все четыре из них, наиболее приоритетной миссией была выбрана масштабная версия HabEx, учитывающая особенности как HabEx, так и LUVOIR, чтобы сформировать «Обсерваторию по поиску обитаемых миров». Во многих отношениях предложенная спецификация обеспечивает идеальный компромисс осуществимости проекта с учётом текущих технологий, того, что мы знаем и не знаем, и экономической эффективности (в свете проблем, возникших при создании и запуске Уэбба).

Изображение концепции космического телескопа LUVOIR

Предложенные на данный момент спецификации звучат интересно. Среди них:

• сегментированная конструкция оптического зеркала, аналогичная той, что уже используется Уэббом;
• тот же тип технологии коронографа, который в настоящее время разрабатывается и тестируется для телескопа Нэнси Роман;
• современные датчики, способные управлять различными сегментами зеркала для достижения стабильности с точностью до пикометра;
• запланированная совместимость с ракетами следующего поколения, которые будут летать в космос в конце 2030-х — начале 2040-х гг.;
• запланированное роботизированное обслуживание компонентов в точке Лагранжа L2, расположенной на расстоянии ~1,5 млн км от Земли,
• и никаких абсолютно новых технологий, которые не были бы полностью отработаны до этапа разработки/строительства.

С такими возможностями у обсерватории будет отличный шанс достичь «святого Грааля» астрономии: впервые показать человечеству действительно обитаемую планету. При рабочем диаметре зеркала от 6,0 до 6,5 метров, сопоставимом с Уэббом, она сможет напрямую получить изображения планет земного размера вокруг всех звёзд, расположенных в радиусе 14 световых лет от Земли. Каждое маленькое увеличение диаметра имеет значение: при удвоении расстояния наблюдения вы увеличиваете объём поиска и ожидаемое количество найденных объектов в восемь раз. В окрестностях Солнца находятся:

• 9 звёздных систем в радиусе 10 световых лет от Земли;
• 22 звёздные системы в пределах 12 световых лет от Земли;
• 40 звёздных систем в пределах 15 световых лет от Земли;
• и 95 звёздных систем в пределах 20 световых лет от Земли.

При реализации всех планов на HWO можно будет получить непосредственные изображения от 20 до 30 планет, похожих на Землю. Если жизнь на землеподобной планете зарождается с шансом хотя бы в несколько процентов, то эта миссия сможет обнаружить первую обитаемую планету за пределами Солнечной системы. А если Вселенная будет к нам благосклонна, мы сможем открыть даже не одну планету.

Поскольку мы уже прошли через боль разработки многих предшествующих технологий, включая 5-слойный солнцезащитный экран, складную сегментированную конструкцию зеркала (как у Уэбба) и деформируемое зеркало, используемое в коронографе телескопа им. Нэнси Роман (в настоящее время испытывается в рамках эксперимента PICTURE-C, проводимого на воздушном шаре), в проекте не придётся использовать ничего абсолютно нового.

Однако все новые разработки так или иначе сопряжены с риском. Идея роботизированного обслуживания обнадёживает, потому что у нас уже есть такой опыт – правда, недалеко, всего на низкой околоземной орбите. На расстоянии 1,5 миллиона километров до точки L₂ даже инструкции, отправленные со скоростью света, будут задерживаться на 10 секунд. Для обслуживания потребуются как ракетные технологии, так и автоматизированные роботы, которых в настоящее время не существует.

Выравнивание зеркал с точностью до пикометра — техническая задача, которая требует достижений, намного превосходящих достижимое сегодня выравнивание с точностью до нанометра (разница в 1000 раз). Хотя это требует не качественного, а количественного улучшения существующей технологии, для этого придётся выделить значительный объём ресурсов, и в настоящее время эти ресурсы выделяются постепенно, в рамках процесса «созревания технологии», присущего этапам проектирования и предпроектной подготовки.

Как выглядел бы спектр атмосферы Земли на разных этапах её развития

Одна из серьёзных проблем, которая не всегда попадает в поле зрения нужных людей, — подойдёт ли для такой миссии коронограф, разработанный для телескопа Нэнси Роман. Коронограф Уэбба работает именно так, как ожидалось, позволяя нам находить и фотографировать планеты, которые всего на 1/100 000 ярче родительских звёзд. Телескоп Нэнси Роман должен оказаться в 1000 раз лучше по сравнению с Уэббом, поскольку деформируемое зеркало его коронографа оптимизируется для борьбы с интерференцией и рассеянным светом — проблемами, возникающими при идеально круглой форме коронографа.

Однако есть один нюанс: одна из причин, по которой коронограф телескопа Нэнси Роман может работать намного лучше, чем у Уэбба, заключается в том, что у Уэбба зеркало составное, в то время как у телескопа Нэнси Роман предполагается единое, круглое, монолитное зеркало. Именно из-за формы зеркал Уэбба вокруг всех звёзд и ярких точечных источников света возникает «снежинкоподобный» дифракционный узор: это просто математическое следствие геометрии оптики.

Но коронографы по своей природе круглые, и не могут легко избавиться от рассеянного света, который попадает от любых острых краёв – будь то шестиугольные фрагменты зеркал, углы на внешних краях зеркал, или миллиметровые зазоры между различными сегментами.

Поскольку конструкция у HWO будет аналогична Уэббу, это кажется очень большой проблемой, с которой ей придётся считаться — особенно потому, что для получения изображений землеподобных миров вокруг звёзд, похожих на Солнце, необходима коронография ещё в 100 раз лучше, чем у телескопа Нэнси Роман.

Распределение точек на изображении космического телескопа Уэбба, предсказанное ещё в работе 2007 года

Одним из возможных решений является запуск «звёздной шторки» — либо вместе с HWO, либо даже после неё, чтобы блокировать свет звезды до того, как он достигнет главного зеркала обсерватории. Хотя это технологически осуществимо, это и дорого, и ограничено в своей эффективности: каждый раз, когда понадобится сменить цель съёмки, «шторке» придётся перелететь на 80 000 километров относительно обсерватории. Так что потенциально такая конструкция сможет получить изображение примерно одной или двух систем в год.

Необычное решение, которое, возможно, стоит рассмотреть — построить не традиционное сегментированное зеркало, а серию кругов. Примерно такую оптическую систему делают у строящегося Гигантского Магелланова телескопа. При помощи семи идеальных кругов вместо 18 или более шестиугольников, он получит светособирающую способность площади всех семи кругов вместе взятых, но с разрешением того диаметра, на котором установлены первичные зеркала. При такой конструкции:

• устраняются все проблемы с паразитным светом, связанные с конструкцией, как у Уэбба;
• можно использовать уже разработанную технологию складных первичных зеркал;
• по-прежнему будет применима технология стабилизации зеркал на пикометровом уровне — для всех сегментов зеркала;
• вместо одного вторичного зеркала и/или одного коронографа, у каждого из семи сегментов может быть собственный.

И, в качестве бонуса, не потребуется никаких проводов, пересекающих оптику первичного зеркала, поскольку вторичное зеркало (или зеркала) можно будет удерживать на месте с помощью проводов, проходящих между зазорами в круговых сегментах: именно поэтому Гигантский Магелланов телескоп станет первой обсерваторией мирового класса без дифракционных шипов на звёздах.

Концепция конструкции космического телескопа, совмещённого со «звёздной шторкой» — технологией, используемой для блокировки света звезды с целью выявления наличия планет, вращающихся вокруг этой звезды

При правильном проектировании и реализации мы можем увидеть обсерваторию для поиска обитаемых миров:

• которую можно будет запустить уже в конце 2030-х — начале 2040-х гг.;
• которая уложится в бюджет и в срок;
• обладающую необходимой архитектурой для достижения своих наблюдательных целей без использования «звёздной шторки»;
• полностью заправляемую топливом, с полностью обслуживаемыми и заменяемыми приборами;
• на которую в любой момент в будущем можно будет установить звёздную шторку;
• и которая, вполне возможно, обнаружит достаточно «землеподобных» планет, чтобы открыть по крайней мере одну (а может быть, и не одну) обитаемую экзопланету.

Большой вопрос, который необходимо решить при проектировании этого телескопа — это компромисс между тем, сколько землеподобных кандидатов он сможет сфотографировать, и тем, насколько большим и дорогостоящим он получится. Хотя диапазон от 6 до 7 метров кажется оптимальным, будет обидно, если мы сделаем слишком маленькую и экономную обсерваторию, которая в итоге ничего не найдёт.

Каждая землеподобная планета, которую мы фотографируем и описываем — это билет в лотерее, где шансы на получение всех призов неизвестны. Наши шансы на успех полностью зависят от того, какие билеты окажутся выигрышными и купим ли мы достаточное их количество. Сложность заключается в том, что мы не узнаем, есть ли у нас какие-то рамки, в которые вписываются эти шансы, пока мы не получим результатов от обсерватории. Поэтому мы должны построить её таким образом, чтобы наши шансы хотя бы на один успех были как можно выше. Если нам это удастся, то, возможно, мы наконец-то получим ответ на вопрос «Одиноки ли мы во Вселенной?». Возможно, что ответ окажется: «Нет, есть и другая жизнь».

Пол-лимона подарков от RUVDS. Отвечай на вопросы и получай призы 🍋