Открытием экзопланет уже никого не удивишь. Следующий шаг — попробовать их заснять, пишет издание The Economist.
За четверть века после открытия первых планет за пределами Солнечной системы астрономы нашли еще свыше 3500 других. Они очень разные.
Одни — раскаленные газовые гиганты, которые кружат вокруг своей звезды с бешеной скоростью, «год» их продолжается несколько дней. Вторые — полностью покрытые океанами несколько километров глубиной. Какие-то из них не мог бы представить даже самый начитанный фантаст. Одна из таких планет, 55 Рака Е, может иметь графитовую поверхность и алмазную мантию. По крайней мере так думают астрономы. Точно сказать они не могут, так как экзопланеты обнаруживают двумя основными способами:
- измеряя колебания материнской звезды под воздействием гравитации планет;
- измеряя едва заметное уменьшение ее светимости, когда планета проходит перед звездным диском.
Эти показатели много подробностей не раскрывают. Таким образом астрономы могут сделать выводы про основное: размер планеты, ее массу и орбиту. Иногда свет зари, которая проходит сквозь атмосферу планеты, может показать химический состав атмосферы последней. Остальное — догадки.
Конкретизации способны помочь непосредственные снимки планет. По ним астрономы могли бы выяснить температуру поверхности планеты, проанализировать, из чего она состоит, и даже приблизительно представить себе ее географию (если бы планета была достаточно близкой, а телескоп — достаточно мощным). Получить свет, нужный для таких «портретов», трудно. Первый снимок экзопланеты 2M1207b, что за 170 световых лет от нас, был сделан в 2004 году. С тех пор альбом пополнился лишь несколькими другими. Однако вскоре ситуация должна измениться: к делу привлекут новые инструменты и на Земле, и в Космосе. Несколько объектов, за которыми будут наблюдать эти телескопы, вполне могут оказаться планетами, на которых способна зародиться жизнь. То есть размером с Землю, на должном расстоянии от звезд, похожих на наше Солнце, в пригодных для жизни зонах этих звезд, где тепло от солнца не дает воде замерзнуть, но и не доводит ее до кипения.
Улыбаемся, пожалуйста
Фотографировать экзопланеты трудно по двум причинам: из-за расстояния до них и между ними и то, что свет от них почти полностью перебивает свет материнской звезды.
Межзвездные расстояния не просто затрудняет видимость объектов — оно уменьшает для глаза пробел между планетой и ее звездой, поэтому на фотографии два объекта вообще трудно различить. Видимые промежутки измеряются в специальных единицах — угловых секундах (или арксекундах; это 1/3600°). Визуально — это как смотреть на американскую монету в 10 центов с расстояния 4 км. Ближайшая к Земле экзопланета вращается вокруг Проксимы Центавра, соседки нашего Солнца. Но, по данным исследовательницы экзопланет из Эдинбургского университета Бет Биллер, угловой пробел между этой планетой и ее звездой — лишь 0,038 арксекунди. Чтобы различить объекты, которые находятся на таком малом расстоянии друг от друга, нужен достаточно большой телескоп.
Еще одна проблема — с сиянием — лучше всего решается с помощью матового диска (коронографа), помещенного в оптику телескопа. Функция коронографа — блокировать свет, идущий непосредственно от звезды, но пропускать любое ее свет, отраженный планетой, движется по ее орбите. Если смотреть на Землю из-за пределов Солнечной системы, ее светимость равна одной десятимиллиардной светимости Солнца.
В случае экзопланет, которые уже «сфотографировались», эти проблемы наименее чувствительны.
Они являются гигантскими пулями (а следовательно, отражают много света), обращающихся на большом расстоянии от тусклых материнских звезд (следовательно, между ними большая видимая прореха, а слепящий свет зари сведено к минимуму). Кроме того, на этих первых образцах планетарной фотографии обычно фигурируют молодые, только что сформированные миры, которые еще имеют немного света от высокой температуры, обусловленной процессом их формирования. Но и здесь требуется серьезное оборудование. Четыре гигантские планеты на орбите звезды HR8799 сфотографировали на протяжении 2008-2010 годов телескопы Keck и Gemini на Гавайях. Главные зеркала на них имеют соответственно 10 м и 8,1 м в диаметре. Хорошая новость для фотографов планет: таких телескопов становится больше и на них устанавливают специальные камеры для фотографирования.
На сегодня три самые лучшие камеры — это Gemini Planet Imager, установленной на южном телескопе Gemini в Чили, Спектрополяриметричный высококонтрастный инструмент исследования экзопланет, которым оборудован Сверхбольшой телескоп Европейской южной обсерватории в Чили, и Коронографическая экстремальная адаптивная оптическая система Субару на японском телескопе Subaru на Гавайях. На всех этих телескопах зеркала свыше 8 м в диаметре, одни из крупнейших в мире, а их камеры для планетарной фотографии оборудованы самыми сложными на сегодня коронографами. Вот камера Subaru, например, может делать снимки планет-гигантов, вращающихся вокруг своих звезд на расстоянии чуть ближе, чем расстояние между нашим Солнцем и Юпитером.
Усовершенствование чувствительности камер даст астрономам возможность фотографировать гораздо больше миров. Например, камера Gemini Planet Imager ищет планеты вокруг 600 перспективных звезд. Про ее первое открытие было сообщено в августе 2015 года. Но даже эти великаны будут ограничиваться фотографированием только газовых гигантов. Чтобы снимать следующую категорию меньших планет («ледяных гигантов» вроде Нептуна и Урана), а затем и большие каменистые — класса «надземля», которым нет аналогов в Солнечной системе, понадобятся еще более мощные инструменты.
Их уже разрабатывают. В горах Чили строится Европейский экстремально большой телескоп (ELT). Диаметр его зеркала — 39,3 м. Это почти вчетверо больше, чем у нынешнего рекордсмена Gran Telescopio Canarias на Канарских островах (10,4 м). По окончании построения, в 2024 году, ELT будет достаточно чувствительным, чтобы сфотографировать планету Проксимы Центавра и другие скалистые планеты на орбитах ближних звезд. Несколько меньший Гигантский Магелланов телескоп планируют достроить в 2021 году. 30-метровый телескоп, который планируется создать на Гавайях, по размеру будет ориентировочно между этими двумя (хотя его построение остановилась через юридические проблемы).
«Дальше совершенствовать наземные телескопы, видимо, некуда», — считает Мэтт Маунтин, президент Ассоциации университетов для астрономических исследований, который руководил созданием телескопов Gemini. Перемещение воздушных потоков в земной атмосфере (когда наблюдаешь невооруженным глазом, кажется, будто звезды мелькают) ограничивает возможности использования телескопов для фотографирования планет. Чтобы обойти эти препятствия, нужно выйти в Космос. Телескоп James Webb, запуск которого запланирован на 2018 год, создавали не совсем для этого, но его зеркало диаметром 6,5 м и достаточно сильный коронограф должны были бы сделать возможной съемку крупных ближних планет. Телескоп сможет также «разнюхать» атмосферу многих других, проанализировав свет, который проходит сквозь нее на пути к Земле. Космический телескоп WFIRST, запуск которого планируется на середину 2020-х годов, сам будет делать снимки, и его будут использовать для испытаний новейшего поколения коронографов.
После этого астрономы, которые хотят снимать действительно подобные Земле планеты, все свои надежды возлагают на ряд дерзких проектов, которые сейчас существуют в виде предложений на бумаге в НАСА. Одним из самых интересных является проект New Worlds Mission. Он предусматривает запуск в Космос гигантского окультера (фактически внешнего коронографа), который будет лететь рядом с существующим космическим телескопом (возможно, из James Webb) и заметно расширять возможности фотографирования экзопланет.
Размер не главное
Впрочем, не гигантоманией единственной — в этом убеждена команда ученых во главе с бывшим директором отдела астрофизики при НАСА Джоном Морсом. Project Blue — так они себя называют — надеется с помощью частных грантов, бюджетных средств и пожертвований общественности профинансировать построение космического телескопа стоимостью $50 млн (для сравнения: бюджет James Webb — $9 млрд), который попытался бы делать снимки любых похожих на Землю экзопланет в обитаемой зоне Альфы Центавра А — ближайшей к Земле похожей на Солнце звезды, старшей сестры Проксимы Центавра.
Альфа Центавра горячее Проксимы, то есть ее пригодная для жизни зона раскинулась значительно дальше. Это, как и небольшое расстояние от нас до звезды, позволит Project Blue обойтись зеркалом с диаметром 30-45 см. Зеркала такого размера вполне могут быть в телескопах энтузиастов — любителей астрономии. Однако любители не имеют управляемого компьютером «мультизвездного зеркала с волнофронтовым управлением». В этом зеркале будет использоваться технология, которая уже подстраивается под наземные телескопы и называется адаптивной оптикой: отдельные участки зеркала испытывают едва ощутимых деформаций, чтобы моделировать улавливаемый свет.
По словам профессора Суприи Чакрабарти из Университета Лоуэлл в штате Массачусетс, в паре с коронографом волнофронтовый регулятор позволит телескопу перекрывать свет не только от Альфы Центавра А, но и от Альфы Центавра В — звезды-компаньонки, еще более близкого к нему, чем Проксима Центавра. Кроме того, планируется за несколько лет сделать тысячи снимков. Если анализировать такие массивы фотографий, а параллельно постоянно отслеживать сигналы (особенно те, что проявляются на потенциальных орбитах), компьютеры смогут вылавливать из всего этого шума планеты.
Если это удастся, то благодаря близости Альфы Центавра А телескоп исследователей с Project Blue сможет найти много информации о каких-либо планетах на орбите этой звезды (статистический анализ известных экзопланет свидетельствует, что они там, скорее всего, есть). Исследование их светового спектра покажет, из чего состоят их атмосфера и поверхность, в частности засвидетельствуют наличие соединений типа кислорода и метана, которые могут означать присутствие жизни. Может, даже получится непосредственно распознать растительность (или какой-то ее инопланетный эквивалент). Продолжительность дня планеты можно вычислить, наблюдая постоянные изменения ее светимости, ведь благодаря вращению вокруг оси континенты и океаны по очереди то появляются, то исчезают. Наблюдая за продолжительными вариациями, можно узнать о временах года на планете; короткие и хаотичные могут засвидетельствовать погодные явления.
Если Project Blue вовремя соберет средства, он надеется запустить свой телескоп в 2019 или 2020 году. Возможность сделать снимок каменистой планеты на орбите одной из ближайших соседок Солнца стало бы чрезвычайной научной удачей. Если бы нашлась пригодная к жизни планета, это было бы одним из величайших научных открытий века. Спонсоры могут взять это во внимание.