«Серьёзность этой проблемы не осознавалась до... примерно 2017 или 2018 года»
Помимо прочего, космический телескоп Джеймса Уэбба по задумке должен приблизить нас к открытию пригодных для жизни миров вокруг далёких звёзд. Находясь на расстоянии полутора миллиона километров от Земли, огромное золотое зеркало Уэбба собирает больше света, чем любой другой телескоп, запущенный в космос.
«Уэбб», запущенный в 2021 году и стоивший более 10 миллиардов долларов, обладает чувствительностью, позволяющей заглянуть в далёкие планетные системы и обнаружить характерные химические отпечатки молекул, критически важных для потенциальной жизни или указывающих на её наличие, таких как водяной пар, углекислый газ и метан. «Уэбб» может делать это, одновременно наблюдая за самыми древними наблюдаемыми галактиками во Вселенной и изучая планеты, спутники и более мелкие объекты в нашей Солнечной системе.
Естественно, астрономы хотят получить максимальную отдачу от своей дорогостоящей обсерватории. И здесь им на помощь приходит миссия НАСА «Пандора».
Спутник «Пандора» был выведен на орбиту в середине января 2026 года с базы ВВС США Ванденберг в Калифорнии. Он находился на борту ракеты SpaceX Falcon 9 вместе с 40 другими небольшими грузами и вышел на полярную солнечно-синхронную орбиту, а затем развернулся на высоте примерно 610 километров.
В течение следующих нескольких недель наземные диспетчеры проведут серию испытаний и калибровок «Пандоры», прежде чем она начнёт наблюдать за глубоким космосом. «Пандора» в разы меньше «Уэбба». Её главное зеркало примерно такого же размера, как у самых больших любительских телескопов, то есть в десять раз меньше, чем у «Уэбба». НАСА ограничила бюджет «Пандоры» 20 миллионами долларов. Бюджет на разработку «Уэбба» был более чем в 500 раз выше.
Двойная проверка «Уэбба»
Так что же маленькая «Пандора» может добавить к передовой науке «Уэбба»? Во-первых, давайте разберёмся, как учёные используют «Уэбб» для изучения экзопланет. Когда планета проходит перед своей родительской звездой, часть звёздного света проходит через её атмосферу. «Уэбб» обладает чувствительностью, позволяющей обнаруживать отфильтрованный звёздный свет и разбивать его на спектральные компоненты, что даёт астрономам информацию о составе облаков и пара в атмосфере планеты. В конечном итоге эти данные полезны для определения того, может ли экзопланета быть похожей на Землю.
«Я часто привожу такую аналогию — если держать бокал вина перед свечой, то можно лучше рассмотреть, что внутри бокала, — сказал Даниэль Апай, член научной группы «Пандора» из Университета Аризоны. — По сути, мы можем оценить качество вина. В данном случае мы используем свет, который проходит через [атмосферу] звезды и атмосферу планеты, чтобы определить, какие химические вещества, в частности газы, могут присутствовать. Водяной пар — одно из веществ, к которому мы наиболее чувствительны».
Но есть одна загвоздка. Звёзды светят в миллионы и миллиарды раз ярче, чем их планетарные спутники, и свет их не постоянен. Как и на Солнце, у других звёзд есть пятна, вспышки, они меняются в течение часов, дней или лет. Горячие и холодные пятна появляются и исчезают из поля зрения. А в атмосфере самой звезды могут содержаться некоторые из тех же молекул, которые учёные пытаются найти на экзопланетах, в том числе водяной пар.
Поэтому спектральная сигнатура звезды легко затмевает сигнал, исходящий от близлежащей планеты. Астрономы обнаружили это «загрязнение» сигнала, когда начали искать потенциально пригодные для жизни миры, что внесло путаницу в их выводы. Относились ли многообещающие спектры, которые они видели, к планете или к звезде?
«Это может приводить к тому, что мы видим признаки поглощения, такие как вода и, возможно, метан, когда их может и не быть, или, наоборот, мы не видим признаков, которые есть, потому что их маскирует звёздный сигнал», — сказал Том Барклай, заместитель научного руководителя проекта и технический руководитель миссии «Пандора» в Центре космических полётов имени Годдарда НАСА.
Проблема стала очевидной в 2010-х годах, когда астрономы стали использовать более мощные телескопы для наблюдения мельчайших деталей экзопланет.
«Это то, что наше сообщество всегда подозревало, — сказал Апай. — Мы всегда подозревали, что звёзды не идеальны. В какой-то момент это становится проблемой. Но серьёзность этой проблемы не признавали до, я бы сказал, 2017 или 2018 года».
Учёные быстро приступили к поиску решения, и НАСА выбрала миссию «Пандора» для разработки в 2021 году, всего за несколько месяцев до запуска «Уэбба».
«Когда мы пытаемся найти воду в атмосферах этих маленьких планет, похожих на Землю, нам нужно быть уверенными в том, что вода на самом деле не находится в звезде, прежде чем сообщать об этом прессе и поднимать шум, — сказала Элиза Квинтана, ведущий учёный «Пандора» в Центре космических полётов Годдарда НАСА. — Поэтому мы разработали миссию „Пандора“ специально для решения этой проблемы».
С низкой околоземной орбиты «Пандора» будет одновременно наблюдать за экзопланетами и их звёздами, что позволит астрономам корректировать свои измерения состава и структуры атмосферы планеты с учётом постоянно меняющихся условий самой звезды. Теоретически эту работу мог бы выполнять «Уэбб», но учёные уже заполнили каждый час его графика. «Пандора» будет направлять свой взгляд на 20 заранее выбранных экзопланет 10 раз в течение своей основной годичной миссии, собирая наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах в течение 24 часов в каждом случае. Это позволит зафиксировать краткосрочные и долгосрочные изменения в поведении каждой звезды.
SpaceX запустила «Пандору» на та�� называемую «сумеречную орбиту», которая следует за границей между днём и ночью на Земле, позволяя спутнику поддерживать освещение солнечных панелей Солнцем во время проведения наблюдений.
«Мы можем отправить этот небольшой телескоп, зафиксировать его на звезде на очень длительный период времени, составить карту всех звёздных пятен и по-настоящему разделить сигналы звёзд и планет, — сказала Квинтана во время недавней панельной дискуссии в центре Годдарда НАСА. — Это заполняет очень важный пробел, помогая нам как бы откалибровать все эти звёзды, на которые будет смотреть „Уэбб“, так, чтобы у нас была уверенность, что все эти молекулы, которые мы обнаруживаем на планетах, реально находятся там».
«Я думаю, что это действительно самый важный научный барьер, который мы должны преодолеть, чтобы полностью раскрыть потенциал „Уэбба“ и будущих миссий», — сказал Апай.
Бен Хорд, член научной группы «Пандора» в Годдарде, привёл один пример в своей презентации на заседании Американского астрономического общества в прошлом году. Планета, названная GJ 486 b — «суперземля», открытая в 2021 году, которая вращается вокруг относительно холодной красной карликовой звезды. Хорд сказал, что астрономы затруднились определить, имеет ли планета богатую водой атмосферу, основываясь только на наблюдениях «Уэбба».
«Мы хотим знать, есть ли вода в атмосферах этих экзопланет, а звёздные „загрязнения“ из-за звёздных пятен могут маскировать или имитировать такие особенности, как наличие воды, — сказал Хорд. — Мы надеемся, что „Пандора“ поможет сделать данные „Уэбба“ ещё более точными, предоставив контекст и понимание этих звёзд-хозяев и этих планетных систем».
Планеты у небольших карликовых звёзд являются одними из лучших кандидатов для поиска настоящего аналога Земли. Поскольку эти звёзды излучают лишь небольшую часть тепла Солнца, потенциально пригодная для жизни планета может находиться очень близко к своей звезде, совершая полный оборот за несколько дней. Это позволяет астрономам наблюдать планету повторно, когда она проходит перед своей звездой, быстро создавая набор данных о её размере, структуре и окружающей среде.
Учёные надеются, что они смогут распространить уроки, извлечённые из наблюдений «Пандоры» за выборкой из 20 экзопланет, на другие миры в нашем галактическом соседстве. По состоянию на конец прошлого года астрономы подтвердили обнаружение более 6000 экзопланет.
«Благодаря хорошо скорректированному спектру мы можем сказать, что там есть вода, есть азот, — сказала Квинтана. — Таким образом, с каждой миссией, по мере нашего развития, мы всё ближе и ближе подходим к ответу на вопрос: „Хорошо, мы знаем, что там есть земли. Мы знаем, что их много. Мы знаем, что у них есть атмосфера. Как мы узнаем, есть ли на них жизнь?“»
Строительство с учётом бюджета
До недавнего времени миссию, подобную «Пандоре», реализовать не получилось бы, уж точно не с бюджетом в 20 миллионов долларов, выделенным НАСА на этот проект. В случае с «Пандорой» агентство воспользовалось быстрорастущей индустрией малых спутников, производящей космические аппараты по цене в разы ниже той, что была 10 или 15 лет назад.
Космический аппарат «Пандора» весил при запуске примерно 325 килограммов и, вероятно, потребовал бы специальной ракеты для полёта в космос, прежде чем SpaceX начала предлагать совместные полёты на своей рабочей ракете Falcon 9. НАСА не раскрыла, сколько она заплатила SpaceX за запуск «Пандоры», но общедоступные цены предполагают, что SpaceX взимает несколько миллионов долларов за запуск спутника такого же размера. До появления возможности совместных полётов НАСА заплатила бы десятки миллионов долларов только за запуск.
Миссия «Пандора» является частью программы НАСА «Пионеры астрофизики», инициативы, созданной для сбора идей по проведению более дешёвых астрономических миссий.
«Было очень, очень сложно втиснуть такой большой объём научных данных в эту небольшую стоимость, но в этом и заключается вся прелесть, не так ли? — сказал Баркли. — Приходится быть безжалостными, чтобы финансировать только то, что нам действительно нужно. Мы принимаем риск там, где это необходимо, и иногда нам приходится соглашаться с тем, что, возможно, придётся пожертвовать производительностью, чтобы уложиться в график и запустить [миссию]».
Помогает то, что 45-сантиметровый телескоп «Пандора» делали в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии, которая располагала нужной технологией в рамках программы национальной безопасности. «Пандора» использует небольшую спутниковую платформу от Blue Canyon Technologies, компании из Колорадо.
«Десять лет назад мы никак не смогли бы реализовать „Пандору“, — сказал Баркли. — Появление малых ракет-носителей у таких компаний, как Rocket Lab, SpaceX и других, привело к тому, что производители спутниковых платформ и научных приборов смогли снизить свои затраты, поскольку поняли: на рынке есть спрос на небольшие миссии. Другие государственные структуры активно инвестируют в малые космические аппараты, и это позволяет нам в научном сегменте пользоваться эффектом масштаба».
Для сравнения: в 2019 году Европейское космическое агентство запустило обсерваторию для наблюдения за экзопланетами размером примерно с «Пандору», стоимостью более 100 миллионов долларов.
Сейчас есть компании, которые изучают возможности увеличения производства более крупных спутников. Более дешёвые и тяжёлые спутники можно будет запускать на новых тяжёлых и сверхтяжёлых ракетах, таких как Starship от SpaceX или New Glenn от Blue Origin.
«Я считаю, что для астрофизиков это поразительная возможность, потому что наука развивается очень быстро, — сказал Апаи. — Экзопланетная наука меняется. Я бы сказал, что каждые три–четыре года у нас происходят прорывы, и сам научный продукт постоянно меняется. Мы раздвигаем границы возможного, и когда приходится работать с миссиями длительностью 20–25 лет, это сильно ограничивает прогресс».
