Несмотря на то, что космический телескоп Джеймса Уэбба запустили по меркам космических программ только недавно, астрономы уже заняты размышлениями о том, что последует после Уэбба. И у них есть амбициозные планы. Большим планом на следующие десятилетия астрономических исследований является поиск подходящих для жизни планет и, возможно, даже поиск признаков жизни вне Земли. Это высокая цель Habitable Worlds Observatory, космического телескопа, который сейчас находится в стадии планирования и имеет целью выявить 25 похожих на Землю планет вокруг солнцевидных звезд.
Сила прямого изображения
Одна из больших проблем в поиске населенных планет за пределами нашей Солнечной системы состоит в следующем: мы редко можем действительно увидеть эти далекие планеты напрямую, потому что планеты чрезвычайно малы по сравнению со звездами и еще и не светятся.
Поэтому астрономы обычно делают вывод о существовании экзопланеты из-за ее влияния на звезду-хозяина. В настоящее время такие инструменты, как космические телескопы Хаббла или Джеймса Уэбба, чаще всего ищут падение яркости звезды, когда планета проходит перед ней, блокирует свет звезды, называемый транзитом, или они ищут колебания звезды, вызванное силой тяготения планеты, и называют это методом радиальной скорости.
Эти методы дают нам подсказки, но, чтобы по-настоящему глубоко понять экзопланеты, мы должны иметь возможность непосредственно их видеть.
Современные телескопы редко могут это сделать, поскольку для этого требуется очень высокий уровень точности. Именно его должно обеспечить следующее поколение космических телескопов, которые смогут снимать изображения экзопланет.
Следующим крупным космическим телескопом, который будет запущен, является Римский космический телескоп имени Нэнси Грейс, запуск которого запланирован на 2027 год. Он будет выполнять обзор неба, чтобы оценить, сколько там экзопланет, пригодных для жизни.
После этого появится космический телескоп Habitable World Observatory, который будет непосредственно снимать похожие на Землю экзопланеты вокруг солнцевидных звезд, который должен быть запущен примерно в 2040 году. Это будет лучший шанс выявить пригодные для жизни экзопланеты, похожие на Землю. Миры, где мы могли бы искать доказательства жизни вне Земли.
Выбор правильной длины волны
Если вы следили за новостями о космическом телескопе Джеймса Уэбба, то наверняка слышали, что он смотрит в инфракрасную часть электромагнитного спектра. Это важно для его цели изучение древнейших галактик, поскольку это позволяет ученым видеть галактики с высоким уровнем красного смещения. Инфракрасное излучение также полезно для того, чтобы смотреть через облака пыли и видеть структуры, которые иначе были бы скрыты.
Однако план обсерватории «Обитаемые миры» состоит в том, чтобы исследовать оптические и ультрафиолетовые волны. Эти длины волн полезны для идентификации сигнатур конкретных атомов, таких как водород или кислород, поэтому мы можем направить наши инструменты на планету и узнать, из чего состоит ее атмосфера.
Существуют различные варианты того, какие конкретные атомы или соединения мы можем искать, но кислород сейчас является ведущим выбором того, что называется биомаркером или подсказкой, указывающей на потенциальное присутствие жизни. Выявление кислорода на далекой планете может являться признаком того, что она нуждается в дальнейшей проверке.
«Идеального биомаркера не существует, – сказал Дэвид Синг из Университета Джонса Гопкинса. — Поскольку мы также можем искать атомы, такие как метан, и всегда существует вероятность ошибочного положительного результата, но кислород действительно важен».
Кислород также выдает очень сильный сигнал, что облегчает его обнаружение. В частности, озон, являющийся разновидностью кислорода с тремя связанными вместе атомами, имеет очень сильный признак в ультрафиолетовом излучении. Подумайте о том, как озоновый слой на Земле защищает нас от ультрафиолетового излучения Солнца, и вы увидите, как ученые могли заключить наличие озона на далекой планете, если увидели блокировку определенной длины волны ультрафиолетового света.
Как построить оптический/ультрафиолетовый-телескоп
Благодаря фокусу на оптических и ультрафиолетовых волнах обсерватория «Обитаемые миры» будет больше похожа на космический телескоп Хаббла, чем на космический телескоп Джеймса Уэбба. И это приносит некие достоинства с точки зрения того, как строить телескоп.
Такие инфракрасные телескопы, как Webb, очень чувствительны к температуре, поскольку, когда вещи становятся горячими, они излучают инфракрасное излучение. Поэтому для точной работы Webb нужно охладить его инструменты до чрезвычайно низких рабочих температур всего в несколько Кельвинов. Это делает телескоп сложнее и дороже для создания, поскольку для него нужна криогенная система охлаждения.
Для такого телескопа как Habitable Worlds Observatory такое экстремальное охлаждение не требуется, что помогает снизить затраты.
Еще одно ключевое различие между инфракрасными телескопами, такими как Webb и оптическими/ультрафиолетовыми телескопами, такими как Habitable Worlds Observatory, — это зеркало. Главное зеркало Уэбба покрыто золотом, которое очень хорошо отражает инфракрасный свет. Но оптический/ультрафиолетовый телескоп имеет зеркало, покрытое серебром, эффективно отражающее эти длины волн.
Новые технологии для нового десятилетия
В определенном смысле ученые уже точно знают, какие инструменты потребуются для поиска подходящих для жизни миров, поскольку это обновление существующих инструментов, а не совершенно новые концепции.
Например, инструменты «Обитаемых миров» будут несколько похожи на инструменты «Джеймса Уэбба» или «Хаббла», поскольку они будут состоять из камер и спектрографов.
Камеры будут использоваться для поиска экзопланета в других звездных системах, и как только планета будет идентифицирована, ее можно будет более глубоко изучить с помощью спектрографов.
Спектрографы работают, разбивая входной свет на волне разных длин, чтобы увидеть, какие длины волны были поглощены. Это говорит вам, из чего состоит объект, на который вы смотрите — и именно так вы можете увидеть, есть ли у экзопланеты атмосфера и из чего эта атмосфера состоит.
Усовершенствовать эти инструменты и сделать их более точными не является тривиальной задачей. Помимо прямого обнаружения, следующее поколение космических телескопов также будет использовать такие методы как радиальная скорость для идентификации экзопланет. А более точные спектрографы позволят использовать такие методы, как чрезвычайно точная радиальная скорость, позволяющая более точно измерять массы вращающихся вокруг солнцеобразных звезд экзопланет.
Но также требуются дополнительные теоретические достижения. Одним из главных факторов, необходимых для улучшения нашего понимания экзопланет, например, является улучшение понимания звезд. Звезды могут становиться ярче или тусклее по разным причинам, и нам нужно иметь возможность моделировать это точнее, если мы хотим определить, вызвано ли изменение наличием экзопланеты или сменой звезды.
Охота на жизнь
Однако даже с совершенно новым телескопом, оснащенным совершенно новой технологией, обрести жизнь за пределами нашей Солнечной системы будет нелегко. Это потому, что пригодность для жизни – это сложная концепция, требующая не только определения земной планеты, вращающейся вокруг солнцевидной звезды.
Но как бы соблазнительно ни представить себе сценарий, по которому мы построим этот телескоп, найдем подходящую для жизни планету, а потом сразу обнаружим жизнь, это не будет работать, сказал Скотт Гауди из Университета штата Огайо.
Чтобы надлежащим образом искать подходящие для жизни экзопланеты, «нам действительно нужно получить полный контекст, означающий изучение других планет в системах, диски обломков, изучение звезд, — сказал Гауди. – Это то, что действительно поможет нам понять, действительно ли эти планеты пригодны для жизни».
Есть соблазн представить, что «мы собираемся построить обсерваторию «Обитаемые миры», мы собираемся найти жизнь, и мы закончили», сказал Гауди, но «это не будет работать таким образом. Если нам повезет, мы найдем одну-две, возможно, три системы, которые будут выглядеть достаточно многообещающими. И тогда нам придется построить что-то еще большее и лучшее».
Труд многих поколений
Даже если мы сможем найти идеальную систему с потенциально пригодным для жизни миром, похожим на Землю, тогда следующим шагом будет рассмотрение даже более сложных факторов, например сколько процентов планеты покрыто океанами и сколько есть земли. Поиски жизни — это не то, что будет решено в ближайшее время, но сейчас ученые закладывают основу для того, чтобы обсерватория «Населенные миры» взялась за следующую часть работы через 20 лет.
Это похоже на то, как планирование космического телескопа Джеймса Уэбба началось примерно в 2000 году, и сегодня учёные только начинают использовать этот инструмент для открытий.
Несколько десятилетий назад я был еще молодым студентом. Но я пожинаю плоды всей той тяжелой работы, которую люди выполняли в то время, — сказал Синг. – То поколение ученых чувствовало это, потому что люди сделали это за них с помощью космического телескопа Хаббла. Итак, это наследие, где вы пожинаете плоды того, что сделали старшие ученые 20 лет назад. И вы хотите убедиться, что это наследие будет продолжаться и через 20 лет».
Потому что вопрос о том, может ли существовать жизнь вне Земли, является одним из самых глубоких вопросов, стоящих перед наукой сегодня, и его нельзя решить быстро. Обсерватория «Обитаемые миры» — это следующий шаг в этом путешествии, но это не конечная точка.
«Это усилие нескольких поколений, возможно, на несколько веков, – сказал Гауди. — И я думаю, что мы должны быть оптимистами по этому процессу, но мы тоже должны быть скромными».
По материалам: Digitaltrends
