Поиск экзопланет, похожих на Землю, с составом и условиями, необходимыми для жизни в том виде, в каком мы её знаем, — это «Святой Грааль» задачи поиска экзопланет. С момента обнаружения первых экзопланет в 1990‑х годах учёные расширяют границы возможностей с помощью новых и интересных методов. Один из таких методов — метод прямой визуализации, который заключается в тщательном блокировании света звезды-хозяина в поле зрения телескопа, что позволяет обнаружить вращающиеся вокруг неё экзопланеты, которые изначально скрывались в ярком сиянии звезды.
Только примерно 1,5 процента подтверждённых экзопланет были обнаружены с помощью этого метода, одной из причин чего является атмосферная турбулентность, затрудняющая наземные телескопические наблюдения. Однако группа исследователей предложила усовершенствовать этот метод с целью поиска экзопланет, похожих на Землю, при одновременном смягчении этих эффектов турбулентности.
В данной статье рассматриваются результаты недавнего исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, в котором изучается возможность использования наземных телескопов в сочетании с космическим «звёздным экраном» (Starshade). Мы также делимся с читателями мнением ведущего автора исследования, доктора Ахмеда Мохамеда Солимана, учёного и технолога из Лаборатории реактивного движения НАСА. Он расскажет о мотивации, лежащей в основе исследования, сравнит их метод с существующими методами прямой визуализации и предстоящими миссиями, а также опишет следующие шаги по воплощению этой концепции в реальность. Итак, что послужило мотивацией для этого исследования?
«Многие люди думают, что только крупные космические телескопы, такие как космический телескоп Нэнси Грейс Роман, космический телескоп Джеймса Уэбба или предполагаемая обсерватория Habitable Worlds Observatory, могут искать жизнь за пределами нашей Солнечной системы, но они не знают, на что способно наше исследование, финансируемое NIAC НАСА – а именно Гибридная обсерватория землеподобных планет (Hybrid Observatory for Earth-like Exoplanets) (HOEE)», — рассказывает доктор Солиман.
Для проведения исследования доктор Солиман и его коллеги предлагают использовать концепцию гибридной наземно-космической обсерватории, включающую орбитальный солнцезащитный экран диаметром 100 метров и несколько мощных наземных телескопов. К этим телескопам относятся «Сверхбольшой телескоп» (ELT), «Гигантский телескоп Магеллана» (GMT) и «Тридцатиметровый телескоп» (TMT). ELT и GMT расположены в пустыне Атакама (Чили), а TMT — на Гавайях (США). Благодаря тому, что звёздный экран блокирует яркий свет звезды, открывая ранее скрытые экзопланеты, наземные телескопы смогут определить, похожи ли эти экзопланеты на Землю.
Солиман рассказал, что цель эксперимента — обнаружить десятки новых экзопланет размером с Землю. Он также отмечает, что с помощью этой концепции потребуется всего несколько минут для идентификации целых солнечных систем, включая похожие на Землю экзопланеты, вращающиеся вокруг звёзд, подобных Солнцу, а на обнаружение потенциальных биосигнатур уйдёт всего несколько часов.
«Кроме того, как показано в наших исследованиях, опубликованных в журнале Nature Astronomy, усовершенствованная система адаптивной оптики на ELT способна компенсировать атмосферную турбулентность, что позволит получать чёткие изображения обитаемых экзопланет и обнаруживать признаки потенциальной жизни при умеренных погодных условиях. Планета должна находиться в зоне обитаемости звезды, где условия позволяют существование кислорода и воды. Для звезды, подобной Солнцу, это соответствует примерно 1 астрономической единице (а.е.), то есть расстоянию между Землёй и Солнцем. Для близлежащих звёзд это соответствует углу около 0,1 угловой секунды. HOEE может вести наблюдения под углом всего 0,058 мсд [угловых миллисекунд] от звезды».
Как уже отмечалось, метод прямого изображения предполагает использование специального устройства внутри телескопов для блокирования яркого света звезды, что позволяет обнаружить ранее скрытые экзопланеты. Это устройство, коронограф, блокирует ненужный свет, находясь внутри телескопа. Новый метод с использованием звёздного экрана предлагает внешнее блокирование. Существует множество наземных телескопов, которые используют коронографы для изучения экзопланет, в том числе Очень большой телескоп и Магелланов телескоп в Чили, а также телескоп Субару и обсерватория Джемини на Гавайях.
К числу действующих в настоящее время космических телескопов, использующих коронографы для изучения экзопланет, относятся космический телескоп «Уэбб» и космический телескоп «Хаббл», в то время как «Солнечная и гелиосферная обсерватория» Европейского космического агентства и индийский телескоп «Адитья-L1» используют коронографы для изучения нашего Солнца. Но как эта гибридная концепция соотносится с существующими методами прямой съёмки?
«Современные космические телескопы, такие как „Уэбб“, космический телескоп Нэнси Грейс Роман, который планируют скоро запустить, используют внутренние коронографы для прямой съёмки, но их контрастность недостаточно высока, чтобы напрямую обнаруживать планеты, похожие на Землю, в обитаемых зонах. Существующим наземным телескопам также не хватает необходимой контрастности и разрешения. Гибридная система, сочетающая космический звёздный экран с большими наземными телескопами, значительно улучшит подавление звёздного света и угловое разрешение, сделав возможным прямое обнаружение экзопланет, похожих на Землю».
Запуск космического телескопа имени Нэнси Грейс Роман в настоящее время запланирован на период с сентября 2026 года по май 2027 года; предполагается, что он будет работать в точке Лагранжа L2 системы «Солнце–Земля», расположенной на стороне орбиты Луны, противоположной Земле. Для контекста: именно там в настоящее время находится «Уэбб», поскольку это место обеспечивает беспрепятственный обзор ночного неба, защищая прибор от солнечного тепла, и обеспечивает чёткую радиосвязь для передачи данных. В отличие от него, «Хаббл» в настоящее время совершает виток вокруг Земли каждые 45 минут, его связь блокируется нашей планетой при попытке отправить данные обратно в НАСА, а обзор неба также заслоняется нашей планетой.
Наряду с готовящимся к запуску космическим телескопом имени Нэнси Грейс Роман, ещё один запланированный космический телескоп обладает потенциалом для проведения революционных научных исследований экзопланет. Речь идёт об Обсерватории обитаемых миров (HWO), запуск которой запланирован на конец 2030‑х или начало 2040‑х годов. Основная цель HWO — непосредственно сфотографировать и идентифицировать как минимум 25 экзопланет, похожих на Землю, и искать биосигнатуры, при этом потенциально используя коронограф или звёздный экран для поддержки своих методов прямого изображения. Но как эта предлагаемая в данном исследовании концепция звёздного экрана соотносится с HWO?
«HWO будет более гибким с точки зрения выбора целей и частоты наблюдений. HOEE, с другой стороны, может проводить наблюдения в разы быстрее, поскольку использует наземный телескоп, размер которого примерно в шесть раз превышает размер HWO. HOEE достигает углового разрешения, примерно в шесть раз превышающего разрешение HWO, что позволяет обнаруживать планеты, скрытые в околозвёздной пыли, образованной кометами и астероидами в экзопланетных системах. HOEE может стать технологическим промежуточным этапом и дополнить HWO или даже ускорить изучение характеристик экзопланет до запуска HWO».
Путь от концепции до реализации космической миссии занимает годы, а зачастую и десятилетия, наполненные проектированием, испытаниями, заявками на финансирование, отказами, одобрениями, новыми испытаниями, перепроектированием и бесчисленными заседаниями экспертных комиссий, решающих судьбу проекта. Эти начинания часто зависят от финансирования, но также требуют обоснования научной ценности миссии. Например, Национальные академии США создали десятилетний план, в котором изложены научные цели в области планетологии, астрофизики, наук о Земле и космической физики.
Последним десятилетним обзором стал «Astro2020 Decadal Survey», в котором были определены три основные задачи космической науки НАСА на период до 2030 года и далее. К ним относятся поиск пригодных для жизни экзопланет, изучение чёрных дыр и нейтронных звёзд, а также эволюция галактик. Концепция «звёздного экрана», предложенная в данном исследовании, подпадает под задачу по поиску пригодных для жизни миров, сформулированную в «Astro2020 Decadal Survey». Итак, каковы следующие шаги по воплощению в жизнь этого гибридного подхода к созданию космического и наземного звёздного экрана?
«Следующий вопрос теперь заключается в том: сможем ли мы действительно построить и запустить его? Звёздный экран должен быть шириной 100 метров и очень лёгким, чтобы ракеты могли доставить его в космос и перемещать от звезды к звезде. Это звучит сложно, но в Лаборатории реактивного движения НАСА, Центре космических полётов имени Годдарда и Исследовательском центре Эймса уже наблюдается впечатляющий прогресс в рамках программ НАСА „Звёздный экран“ и NIAC. Институт космических исследований Кека собрал ведущих учёных и инженеров, чтобы наметить чёткий путь к реальной миссии HOEE, призванной найти самую первую планету, похожую на Землю, вращающуюся вокруг звезды, подобной Солнцу».
Время покажет, поможет ли эта концепция «звёздного экрана» обнаружить похожие на Землю экзопланеты в ближайшие годы и десятилетия.
