Как мы будем напрямую фотографировать планеты земного типа в будущем!
«Мы стоим на важном пороге в истории освоения космоса человечеством. Если жизнь преобладает в наших окрестностях галактики, то в наших ресурсах и технологических возможностях стать первым поколением в истории человечества, которое, наконец, переступит этот порог и узнает, есть ли жизнь за пределами Земли».
- Сара Сигер
Если бы вы спросили астронома 25 лет назад, есть ли планеты вокруг других звезд, таких как Солнце, они бы сказали вам «вероятно», но без единого примера, на который можно было бы указать. Если бы вы спросили всего пять лет назад, есть ли твердые планеты, подобные Земле, вокруг других звезд, подобных Солнцу, они бы ответили «вероятно», но без конкретного примера. Тем не менее, на сегодняшний день, в 2016 году, мы обнаружили более двух тысяч подтвержденных планет вокруг звезд в других солнечных системах, в том числе сотни каменистых миров, причем от восьми до двенадцати из этих каменистых миров находятся в правильном месте, чтобы иметь жидкую воду. и потенциально жизнь на поверхности. Без усовершенствованных технологий все, что мы можем делать, это строить догадки. Но если бы мы могли измерить свет, исходящий от этих каменистых миров, мы могли бы найти подписи, которые мы связываем с жизнью:
- жидкие, водянистые океаны и континенты,
- атмосфера с высоким содержанием кислорода и других газов, способствующих жизни,
- молекулы с различными биосигнатурами,
- и даже доказательства того, что признаки жизни на поверхности мира меняются в зависимости от времени года.
Это может показаться несбыточной мечтой, но с появлением новой технологии под названием «звездный шейд» вся эта информация может быть у нас под рукой.
Учтите, что вся эта информация, которую мы хотели бы знать, содержится всего в нескольких тысячах фотонов, исходящих из мира, не так уж отличающегося от Земли. Когда Земля вращается по своей орбите, мы видим различное соотношение океана и суши, что позволяет нам узнать, какая часть поверхности покрыта жидкостью, а какая - твердой. Собирая отраженный солнечный свет от атмосферы планеты, мы можем увидеть, какие особенности спектрального поглощения присутствуют, что говорит нам о соотношении газов, таких как азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и метан, что позволяет нам определить, является ли эта планета вероятной. жилой или нет. И, наблюдая Землю в разных положениях на ее орбите - и, следовательно, в разные сезоны - , мы могли видеть, как массивы суши меняются от покрытых зеленью до тускло-коричневых, покрытых отражающим льдом и обратно.
Ключ ко всему этому - собрать свет с планеты, не заглушая этот свет самой звездой. Вы можете подумать, что, просто блокируя свет звезды с помощью небольшого диска, называемого коронографом, мы сможем сделать именно это. Это правда, что мы используем коронографы в астрономии с большим эффектом, но у света есть досадное свойство (поскольку он ведет себя как волна), что он дифрагирует вокруг любого объекта, включая коронограф, и что количество дифрагированного света, проходящего через него, затопило бы любой объект. сигнал с планеты, которая во много миллиардов раз слабее звезды, вокруг которой она вращается. Тем не менее, есть прекрасный оптический трюк, который мы можем использовать, чтобы полностью заблокировать свет звезды: поместив идеальной формы оптический объект нужного размера на большом расстоянии от линзы телескопа. Другими словами, решение проблемы наблюдения слабой планеты само по себе является задачей не более мощного телескопа, а специальной светозадерживающей «затенки» для телескопа, подобно тому, как Луна затеняет нас на Земле во время полного солнечного затмения. затмение.
Эта тень не будет круглой и не может быть почти такой же большой, как Луна с точки зрения углового размера. То, что мы искали, было планетой, отделенной от своей звезды всего на 1/36000 градуса, а это значит, что нам нужно, чтобы она занимала лишь крошечную часть площади, которую может наблюдать телескоп. Есть три особых свойства, которыми должен обладать подобный «оттенок»:
- Он должен иметь очень особенную форму; не сферическая, а особая математическая форма, известная как гипергауссова поверхность, обладающая особыми свойствами, заключающимися в том, что весь свет звезд, преломляющийся на краях этой поверхности, в конечном итоге разрушает сам себя. В результате свет звезд подавляется более чем в 10¹⁰, что позволяет получить изображение планеты.
- Он должен быть большим и очень далеким из-за оптического свойства, известного как число Френеля. По сути, тень должна иметь определенный угловой размер, и ее число Френеля будет больше, если экран находится очень далеко. Большие числа лучше подходят для уменьшения количества просачивающегося света, поэтому лучше всего построить тень, которая будет большой и очень далекой, чтобы уменьшить шум, создаваемый внешним звездным светом.
- И, наконец, он должен быть идеально выровнен по линии прямой видимости к вашему телескопу, то есть он должен иметь собственное топливо и стабилизацию, которые работают идеально синхронно с телескопом, к которому он подключен..
Для телескопа класса Хаббла, такого как предложенная НАСА миссия WFIRST, потребуется 35-метровая звездная тень , измеренная от кончика до кончика , которая летит на расстоянии 40 000 километров (или окружность Земли!) в телескоп шириной 2,4 метра.
www.youtube.com/watch?v=gC7pjlCKZe4
Технических проблем много, так как этот оттенок должен:
- развернуться в пространстве на нужном расстоянии от телескопа,
- позволяют выравниванию телескопа-звездной тени-звезды быть настолько идеально идеальным, что звездный свет может быть заблокирован, а планеты могут быть отображены напрямую без каких-либо помех со стороны звезды,
- он должен оставаться в идеальном выравнивании, даже если оба космических корабля продолжают движение по орбите в космосе,
- и ему придется путешествовать по небу в нужное место - путешествие в десятки тысяч километров - для каждой новой цели, которую вы хотите отобразить.
Тем не менее, если бы мы пролетели над звездной тенью с помощью WFIRST, флагманской десятилетней миссии НАСА в 2020-х годах, мы смогли бы собрать подобные данные обо всех каменистых мирах вокруг примерно тридцати ближайших звезд, и получить первое представление об атмосфере каменистой планеты всего за «всего» 1 миллиард долларов.
Вам может быть интересно, сработает ли это вообще, поскольку вы были бы правы. В рамках проверки концепции они построили модель звездного неба и сфотографировали Вегу, одну из самых ярких звезд ночного неба, без звездного неба:
и с образцом звездного неба на нужном расстоянии от камеры, снимающей его. Первое изображение было полностью насыщено всего за 1 секунду экспозиции, а второе изображение вернуло следующее после 20-минутного просмотра:
Свет от Веги уменьшился более чем в миллиард раз, и благодаря этому простому тесту было обнаружено много новых звезд, которые никогда раньше не наблюдались. Заблокировав звездный свет с помощью этой новой концепции - звездной тени - , мы смогли увидеть объекты ближе к звезде, чем когда-либо прежде. Следующий шаг? Выведите его на орбиту и дайте ему возможность работать с оптическим космическим телескопом класса Хаббл (или выше!) Мы впервые сможем увидеть свет непосредственно от десятков скалистых планет, включая их спектры, когда планета вращается и вращается по своей собственной орбите. Впервые мы сможем измерить, имеют ли каменистые миры в других солнечных системах, возможно, даже в обитаемых зонах других солнечных систем, биосигнатуры, сходные (или даже отличные) с теми, что есть на Земле. Поиски жизни во Вселенной только начались, но будущее астрономии также связано с поиском признаков жизни, и мы способны это осуществить!