Охота за «двойниками Земли»
Астрономы периодически сообщают об обнаружении потенциально пригодных для жизни экзопланет (любые планеты за пределами Солнечной системы) или даже о «двойниках Земли». Так называют планеты, чья гравитация сравнима с Землей, у которых есть твердая каменистая поверхность, а температура допускает существование жидкой воды. Изучение «двойников Земли» важно не только для тех, кто мечтает о колонизации космоса: ученые надеются выяснить закономерность зарождения жизни в Галактике и то, насколько уникально наше существование.
На самом деле, землеподобные планеты никто никогда не видел — у современных телескопов не хватает для этого возможностей. Ученые вычисляют факт их существования по косвенным признакам, анализируя свет родительской звезды. Так, о планете можно узнать по регулярным частичным затмениям (падениям яркости), когда она проходит по видимому диску звезды. На основании этого можно определить орбиту экзопланеты и условия на ней, исходя из светимости ее солнца.
Тем не менее, увидеть планету у чужой звезды реально. Например, это удалось с помощью обсерватории Кека, которая сделала множество снимков движения планет–гигантов вокруг звезды HR 8799 в 129 световых годах от Земли. Обсерватория Кека состоит из двух десятиметровых телескопов, объединенных в один интерферометр (используется для измерения разности хода двух волн), что в разы повышает их разрешение. Может быть, если построить телескоп в несколько раз больше, это позволит увидеть и мелкие планеты?
В действительности проблема не только и не столько в диаметре оптики и разрешении. Планеты — это очень тусклые точки на небе, расположенные близко к ярким звездам, «слепящим» оптику. Чтобы их увидеть, свет звезды необходимо в буквальном смысле заслонить, для чего используют устройство коронограф. След его работы виден как черное пятно в центре на снимках HR 8799, но коронограф как в обсерватории Кека позволяет увидеть лишь очень крупные планеты на большом удалении от звезды (примерно на орбите Урана).
«С похожими проблемами астрономы сталкиваются при наблюдении солнечной короны — разреженной горячей плазмы вокруг Солнца. Ее отлично видно во время солнечных затмений, когда удаленная на сотни тысяч километров Луна выступает естественным коронографом. Телескопы же со встроенным, внезатменным коронографом, позволяют наблюдать корону круглый год, но качество таких снимков будет относительно скверным и гораздо хуже, чем при затмении. Иначе говоря, для эффективной работы коронограф должен находиться далеко от телескопа. Без подобного устройства увидеть землеподобную экзопланету почти невозможно, хотя разрешения телескопа вроде James Webb должно для этого хватать», — рассказал «Газете.Ru» старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ им.Ломоносова и ведущий канала «Неземной подкаст» Владимир Сурдин.
Чем больше, тем лучше?
Существует несколько проектов телескопов, созданных специально для охоты на «двойников Земли». Самый проработанный из них — это американский HabEx (Habitable Exoplanet Observatory — Обсерватория обитаемых экзопланет) и его обновленная версия HWO.
Предполагается, что он будет иметь зеркало диаметром четыре метра, что ставит его между 2,4-метровым Hubble и 6,5-метровым James Webb. Куда важнее диаметра главного зеркала будет наличие внешнего коронографа (оккультера, в западной терминологии), удаленного от телескопа на десятки тысяч километров. Похожий на подсолнух диаметром полсотни метров оккультер, созданный из легких полимеров, придется запускать на отдельной ракете и тщательно корректировать его положение относительно телескопа с помощью двигателей, чтобы он закрывал звезду, но не ее планеты.
Этот проект и его аналоги пока не утверждены и точно не будут запущены до 2030 года. Но даже если HabEx удастся реализовать, разрешения не хватит, чтобы увидеть детали географии «двойника Земли». Он предстанет как светящаяся точка, хотя даже этот результат будет для астрономов грандиозным прорывом. Например, спектрометры позволят определить точный состав атмосферы такой планеты, и если она богата кислородом, то это будет сильным доводом в пользу наличия жизни.
Кроме того, интерпретация в астрономии не менее важна, чем сами наблюдения. Так, исследователи пытаются разработать метод обнаружения деревьев на планете по изменениям ее яркости в течение суток и года.
По оценке Сурдина, чтобы увидеть экзопланету в мелких деталях (например, ее континенты), потребуется космический телескоп нереалистично большого диаметра, порядка одного километра. Едва ли такую массу удастся запустить в космос в обозримой перспективе, но астроном предлагает два гипотетических выхода.
- Первый — использовать гравитационное линзирование. Солнечная гравитация искривляет пути лучей подобно гигантской линзе, но чтобы использовать ее, телескоп должен находиться далеко во внешней Солнечной системе.
- Второй выход — построить космический интерферометр, то есть, несколько телескопов класса HabEx, но разнесенных на расстояние в километры и работающих совместно, как единый многоглазый инструмент.
Край Вселенной и черные дыры
В астрономии действует простой принцип — чем больше диаметр объектива телескопа (либо эффективный диаметр интерферометра), тем он лучше, и теоретических пределов возможностей у него почти нет. Может показаться, что построив циклопический телескоп, можно будет увидеть любой редкий объект или даже увидеть край Вселенной. Парадоксальным образом, увидеть его куда проще, чем землеподобные экзопланеты, а в некоторых случаях пользы от гигантского телескопа просто не будет.
Например, в 2019 году астрономы получили снимки сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87 (созвездие Девы), сделанные в миллиметровом радиодиапазоне. В 2022 году «сфотографировали» черную дыру в центре нашей Галактики, связанную с радиоисточником Стрелец А*. Это стало важнейшим подтверждением Общей теории относительности Эйнштейна и современных теорий гравитации, а для уточнения этих теорий и поиска погрешностей необходимо получить максимально качественный снимок. Гипотетический телескоп для съемок континентов на экзопланетах, вероятно, смог бы увидеть Стрельца А* в оптическом диапазоне, но смысла в этом мало.
«Он бы увидел почти все то же самое, что и радиотелескоп, но обойдется это во много раз дороже. Мы видим не саму черную дыру, а горячий газ вокруг нее. Он изучает примерно одинаково что в оптике, что в радиодиапазоне. Наверняка нюансы изображения будут отличаться, но не коренным образом», — пояснил Сурдин.
Что касается края Вселенной, то эту задачу уже выполняет James Webb. У Вселенной нет границы в бытовом понимании этого слова, зато она есть у наблюдаемой Вселенной. Свет распространяется с фиксированной скоростью, и чем более удаленный объект мы наблюдаем, тем моложе он выглядит. Смотря на галактику в миллиарде световых лет от Земли, астрономы в буквальном смысле заглядывают в прошлое на миллиард лет, наблюдая объект в ту эпоху. Из этого логически следует, с одной стороны, что невозможно увидеть объект, свет от которого не успел до нас дойти за время существования Вселенной, то есть за 13,8 млрд световых лет. С другой, это означает, что можно увидеть первые источники света в мире.
Это было важнейшей задачей James Webb, и он ее успешно выполнил. Телескоп сфотографировал галактики, которые сформировались спустя 500 млн лет после Большого взрыва. Это сразу озадачило ученых, поскольку они выглядели слишком древними, хотя, скорее всего, астрономов подвела лишь стандартная методика оценки возраста галактики.
Тем не менее, их (или чуть более древние галактики) можно с уверенностью считать краем видимой Вселенной. За ними мы должны наблюдать абсолютную черноту, сколько ни увеличивай разрешение. Если же James Webb увидит хоть один источник света, существующий до возникновения Вселенной, это потребует серьезного пересмотра астрофизических теорий.
Однако, укрупнив телескоп James Webb во много раз, вероятно, получится увидеть другие неуловимые объекты — звезды популяции III. Так астрономы называют самые первые звезды во Вселенной, сформировавшиеся только из водорода (первичного элемента) без тяжелых элементов.
«Тридцатиметровый космический телескоп позволил бы получить спектр от отдельных звездных скоплений в первых галактиках. Благодаря этому мы бы смогли проверить, есть ли в его звездах тяжелые элементы или нет. Если их нет, то это и есть самые первые звезды Вселенной», — рассказал Сурдин.
Получать изображение отдельной звезды не требуется, поскольку светила в скоплении должны быть примерно одного возраста.
У всех подобных концепций супертелескопов есть один серьезный ограничивающий фактор — это деньги. Постройка James Webb обошлась американскому бюджету в $10 млрд, что сравнимо со стоимостью атомного авианосца, а тридцатиметровый телескоп будет стоить гораздо дороже. С учетом того, что военные расходы в мире растут, маловероятно, что мы увидим реализацию большого количества астрономических мегапроектов в ближайшем будущем.