Если на других планетах ходят существа размером с человека, сможем ли мы увидеть их напрямую?
Ключевые выводы
- С низкой околоземной орбиты единственная причина, по которой мы не можем видеть отдельных людей напрямую, заключается в том, что у нас нет достаточно большого телескопа, направленного на Землю.
- Если бы мы захотели построить гораздо больший телескоп и направить его на другие планеты, само собой разумеется, что мы смогли бы увидеть там и существ размером с человека.
- Хотя мы говорим об огромных размерах телескопа, этот тип технологии может когда-нибудь привести к прямым изображениям инопланетной жизни. Вот как.
В настоящее время существует три основных пути (и один дополнительный), по которым ученые ищут жизнь за пределами Земли. Первый - внутри нашей Солнечной системы: отправка орбитальных аппаратов, посадочных модулей, вездеходов и космических кораблей в другие миры, где может быть жизнь. Второй - исследовать экзопланеты, которые мы обнаружили издалека, в надежде найти биосигнатуры или, по крайней мере, биоподсказки. И третий - поиск техносигнатур: неестественных сигналов, свидетельствующих о том, что они были созданы разумным существом. На периферии некоторые даже ищут доказательства того, что инопланетяне уже находятся здесь, на Земле, хотя их научные достоинства в значительной степени оспариваются.
Но что, если бы у нас были сильные подозрения, что на самом деле существуют не только инопланетяне, но инопланетяне размером с человека, гуляющие по поверхностям других миров? Можно ли их напрямую изобразить? Это то, что хочет знать Шон Харви, спрашивая:
«Если бы мы построили достаточно большой телескоп, смогли бы мы увидеть, ходят ли люди по другим планетам?»
В этом вопросе, несомненно, есть некоторые барьеры и серьезные оговорки, но если коротко, то да, это возможно. Вот что нам нужно сделать, чтобы это произошло.
Это изображение 1990 года было изображением «первого света», полученным тогда еще совершенно новым космическим телескопом Хаббл. Благодаря отсутствию атмосферных помех и большой апертуре Хаббла он смог разрешить несколько компонентов звездной системы, которые не мог разрешить наземный телескоп. Когда дело доходит до разрешения, наиболее важным фактором является количество длин волн света, которые соответствуют диаметру вашего главного зеркала, но его можно улучшить с помощью гравитационного линзирования. Чтобы изображение цели было чистым, наведение телескопа должно оставаться достаточно точным, чтобы данные из одного пикселя не перетекали в соседние пиксели.
Одним из самых важных, но все же одним из самых основных свойств любой оптической системы является разрешение. Если вы хотите увидеть что-то размером порядка метра, ваш телескоп должен иметь возможность разрешать объекты размером метр или меньше. Только с помощью телескопа вы не видите предметы определенного физического размера; вы изображаете объекты, которые занимают на небе определенный угловой размер. Этот тип углового разрешения означает, что вы чувствительны к объектам определенного физического размера, если они расположены на определенном расстоянии от нас и ближе, но не дальше.
Возможно, вы слышали, что разрешение телескопа определяется его размером, и отчасти это правильно. Разрешение телескопа зависит не только от диаметра главного зеркала, но и от длины волны наблюдаемого света. Лучшее эмпирическое правило заключается в том, что разрешение телескопа определяется количеством длин волн света, которые могут поместиться в диаметре его главного зеркала. Космический телескоп Джеймса Уэбба, например, имеет диаметр 6,5 метра и может видеть свет длиной от ~ 550 нанометров до ~ 28 000 нанометров. Разница в максимально возможном разрешении между этими двумя длинами волн составляет от 0,03 угловых секунды на коротких волнах до 1,4 угловых секунд на длинных.
На этом трехпанельном изображении показан смоделированный вид одной и той же астрономической цели, NGC 3603, с помощью Хаббла (слева), Очень Большого Телескопа с адаптивной оптикой (в центре) и текущего строящийся Европейский чрезвычайно большой телескоп (справа). Повышение резкости является отражением увеличенного разрешения за счет большего главного зеркала. Это угловое разрешение также зависит от расстояния, но не интуитивным образом.
В качестве отправной точки возьмем самый мощный телескоп на низкой околоземной орбите - космический телескоп Хаббла - и попробуем ответить на вопрос: «Мог ли Хаббл увидеть человека на Земле со своей позиции?» в космосе?"
Быстро, догадайтесь сами: да или нет?
А теперь давайте узнаем. Хаббл имеет главное зеркало диаметром 2,4 метра и находится на высоте примерно 340 миль (или 547 км) над поверхностью Земли. На расстоянии 547 км, если предположить, что человек выглядит размером около 1 метра (на самом деле это немного меньше с высоты птичьего полета, если вы стоите, но немного больше, если вы лежите, поэтому мы разделим разницу), что соответствует угловому размеру 0,000105°, или примерно 0,37 угловых секунды. Хаббл почти может достичь таких разрешений в оптической части спектра, поэтому ответ будет «да», если мы будем смотреть в синем, фиолетовом или ультрафиолетовом свете, но «не совсем», если мы будем смотреть в красной или инфракрасной частях.
На этом снимке, сделанном с Международной космической станции астронавтом Карен Ниберг в 2013 году, показаны два крупнейших острова в южной части Маскаренского плато: Реюньон на переднем плане и Маврикий, частично покрытый облака. Чтобы увидеть человека на Земле с высоты МКС, понадобился бы телескоп размером с Хаббл. Масштаб человека составляет менее 1/5 000 000 масштаба Земли, но Земля - всего лишь пресловутая капля в космическом океане диаметром немногим более 10 000 километров.
Видимый свет - отличный способ поиска людей, особенно если вы изучаете планету, чья атмосфера, как и земная, в значительной степени прозрачна для видимого света. Преимущество более коротких длин волн заключается в более высоком разрешении, но атмосферы планет полностью непрозрачны для гамма- и рентгеновских лучей. Ультрафиолетовый свет также в основном непрозрачен, особенно если у вас есть защитный озоновый слой, который должна спонтанно создавать богатая кислородом атмосфера. Даже если мы отправим телескоп в космос, мы, вероятно, захотим искать людей, используя тот же тип света, для которого прозрачна земная атмосфера.
Что мы хотели бы сделать, так это разрешить человека так же, как если бы мы навели космический телескоп Хаббла (или его клон с соответствующими приборами) на Землю.. Чтобы это произошло, все, что нам нужно сделать, это знать, как далеко мы хотим смотреть, и это покажет, насколько большим нам нужно построить наш телескоп, чтобы это произошло. Это даже легко сделать: если вы хотите увидеть что-то в десять раз дальше, чем пределы Хаббла, но с тем же разрешением, вам просто нужно построить главное зеркало в десять раз больше в диаметре. Имея это в виду, давайте посмотрим, насколько большой телескоп нам понадобится, чтобы увидеть человека на разных расстояниях.
Это культовое изображение, сделанное Нилом Армстронгом, показывает Базза Олдрина, водружающего флаг США на Луне. Обратите внимание на наличие следов на переднем плане. Эти (и другие) следы астронавтов все еще видны с орбиты вокруг Луны, но ни один земной телескоп не может получить изображение с требуемым разрешением.
Луна
Начнем с нашего ближайшего соседа: естественного спутника Земли. Что касается планетарных расстояний, Луна намного, намного ближе, чем что-либо еще в нашей Солнечной системе; настолько близко, что мы смогли высадить людей на его поверхность более 50 лет назад. Орбита Луны вокруг Земли движется по эллиптической, а не по круговой траектории, поэтому в определенное время она ближе к Земле, чем в другое. Луна находится на самом близком расстоянии в 356 500 километров, а в самом дальнем - на расстоянии 406 700 километров от нас. Расстояние от низкой околоземной орбиты до поверхности Луны составляет в среднем чуть меньше 380 000 километров, чтобы свет мог путешествовать.
Это означает, что если бы мы хотели достичь такого же разрешения, как Хаббл, глядя на Землю, нам нужно было бы построить телескоп диаметром примерно 1650 метров: совсем чуть-чуть более одной мили. Телескоп в одну милю был бы удивительным достижением, но очень дорогим. Самый большой телескоп, когда-либо построенный человечеством, в настоящее время строится в южном полушарии: Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп диаметром 39 метров. Главное зеркало этого телескопа состоит из 798 шестиугольных сегментов, каждый из которых имеет ширину 1,4 метра. Для масштаба телескопу диаметром в одну милю потребуется около 1,4 миллиона таких сегментов.
На этой диаграмме показана новая 5-зеркальная оптическая система Чрезвычайно большого телескопа ESO (ELT). Прежде чем достичь научных инструментов, свет сначала отражается от гигантского вогнутого 39-метрового сегментированного главного зеркала телескопа (M1), а затем отражается от двух дополнительных 4-метровых зеркал, одного выпуклого (M2) и одного вогнутого (M3). Последние два зеркала (M4 и M5) образуют встроенную адаптивную оптическую систему, позволяющую формировать чрезвычайно четкие изображения в конечной фокальной плоскости. Главное зеркало состоит из 798 сегментов, образуя 39-метровое зеркало.
Венера и Марс
Скажем, однако, что мы не хотели ограничиваться нашим ближайшим соседом, а вместо этого хотели попытаться найти людей на других планетах, которые находятся в так называемой обитаемой зоне нашего Солнца.: Венера и Марс. Хотя эти планеты в среднем находятся на расстоянии более 100 миллионов километров, каждая из них становится намного ближе к Земле, когда одна планета обгоняет другую на орбите вокруг Солнца. Ближайшая к нам Венера может находиться всего в 38 миллионах километров от Земли. Тем временем Марс приближается к Земле на 62 миллиона километров.
Видеть сквозь облака на Венере довольно сложно; мы можем просто время от времени видеть поверхность в видимом свете, и даже это требует случайного перерыва в облаках. Между тем Марс относительно легко увидеть сквозь него, так как его облака, как правило, тонкие, а его атмосфера тонкая и в значительной степени прозрачная; пока не бушует пыльная буря, поверхность Марса видна издалека.
На этих расстояниях для разрешения человека на поверхности требуется телескоп диаметром 100 миль (161 км) для Венеры и телескоп диаметром 163 мили (263 км) для Марса. Это примерно телескоп размером с Нью-Джерси для первого и телескоп размером с Западную Вирджинию для второго.
Ученые почти уверены, что под ледяной поверхностью Европы есть океан, но они не знают, насколько толстым может быть этот лед. Этот художественный концепт иллюстрирует два возможных разреза сквозь ледяную оболочку Европы. В обоих случаях тепло уходит, возможно, вулканическим путем, из каменистой мантии Европы и уносится вверх плавучими океанскими течениями. Если бы объект размером с человека можно было наблюдать с Земли, потребовался бы телескоп размером с Аляску.
Спутники Юпитера
Возможно, когда-нибудь мы обнаружим, что жизнь есть не на одной из каменистых планет Солнечной системы, а на одном из спутников газового гиганта. Ближайшим газовым гигантом в Солнечной системе является Юпитер, а из его основных спутников Европа, а иногда и Ганимед, как правило, обладают наиболее благоприятными для жизни характеристиками. Разница между расстоянием до Юпитера и расстоянием до одной из его лун незначительна по сравнению с расстоянием от Земли; ближе всего Юпитер находится «всего» примерно в 365 миллионах миль (588 миллионов километров) от нас.
Это означает, что необходимый диаметр телескопа составляет 1550 миль (2500 километров), что примерно равно размеру штата Аляска в Соединенных Штатах. На данный момент мы смотрим на телескопы, которые трудно понять с точки зрения размера, поскольку такой большой телескоп занял бы около трех четвертей диаметра Луны. К сожалению, так оно и есть. Чтобы получить изображение чего-то размером с человека с расстояния в сотни миллионов миль (или километров), вам нужен телескоп размером с планетарное тело. А на больших расстояниях все становится только хуже.
Логарифмическая таблица расстояний, показывающая "Вояджер", нашу Солнечную систему, Облако Оорта и ближайшую к нам звезду: Проксима Центавра. Скачками в 10 раз мы переходим от орбиты Земли к орбите Сатурна к расстоянию «Вояджера-1» к внутреннему облаку Оорта к середине облака Оорта на расстояние более светового года, а затем вы достигаете Проксимы Центавра задолго до следующего коэффициент 10.
Сатурн, Уран, Нептун и не только
Мы могли бы также покончить с Солнечной системой. Сатурн находится примерно в два раза дальше, чем Юпитер, приближаясь к Земле на расстояние 746 миллионов миль (1,2 миллиарда километров). Для этого требуется телескоп диаметром 3100 миль (5000 километров): размером примерно с огромный спутник Сатурна, Титан, второй по величине в Солнечной системе (после Ганимеда на Юпитере).
Уран находится чуть более чем в два раза дальше Сатурна от Земли, никогда не приближаясь к нам ближе, чем на 1,6 миллиарда миль (2,57 миллиарда км). На таком расстоянии потребовался бы телескоп диаметром около 6600 миль (10 800 километров), или около 85% размера Земли.
А Нептун подходит к Земле не ближе, чем на 2,67 миллиарда миль (4,298 миллиарда км), что требует телескопа диаметром 11 000 миль (17 800 км), или примерно 150% размера Земли..
Чтобы получить изображения объектов в поясе Койпера, нам обычно приходится строить телескоп, диаметр которого в два-три раза превышает диаметр Земли.
Чтобы получить изображения объектов в облаке Оорта, которое само по себе находится в сотни раз дальше, чем пояс Койпера, вам понадобится телескоп размером примерно с Солнце.
И тем не менее, это даже не привело нас к планетам, которые вращаются вокруг других звезд.
51 Эри b была обнаружена в 2014 году с помощью устройства для визуализации планет Gemini Planet Imager. При массе 2 массы Юпитера это самая холодная экзопланета с наименьшей массой, изображенная на сегодняшний день, и вращается всего в 12 астрономических единицах от своей родительской звезды. Для изображения существ на поверхности этого мира потребуется телескоп с разрешением, в миллиарды раз превышающим наше лучшее разрешение.
Снимки экзопланеты
Если мы не решим отправить людей в другой мир в нашей Солнечной системе, мы вряд ли найдем каких-либо естественных людей ни в одном из этих миров. Но могут быть существа размером с человека на планетах за пределами нашей Солнечной системы: среди экзопланет там.
Ближайшие к Земле звезды находятся на расстоянии от 4 до 10 световых лет, и вполне вероятно, что у некоторых из них есть планеты, которые могут быть не только населены, но и населены крупными формами жизни, такими как люди. размер или больше.
Насколько большим должен быть наш телескоп, чтобы увидеть объекты размером ~1 метр в мире, который находится на расстоянии нескольких световых лет от нас?
Для ближайших планет в системах Альфа/Проксима Центавра нам понадобится телескоп размером примерно с орбиту Земли вокруг Солнца. Чтобы рассмотреть объект размером около 1 метра на любых планетах вокруг, скажем, Тау Кита, ближайшей солнцеподобной звезды без бинарного компаньона, вам понадобится телескоп размером с орбиту пояса астероидов. А чтобы наблюдать за планетами в системе TRAPPIST-1, вам понадобится телескоп такого же диаметра, как орбита Сатурна. Если эти размеры кажутся чрезмерно большими, что ж, есть причина, по которой никто не говорит о прямых изображениях жизни на других планетах.
Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакамы (ALMA) состоит из множества радиотелескопов. Массив обладает светосилой, равной сумме площадей сбора отдельных тарелок, но имеет разрешение, соответствующее расстоянию, разделяющему тарелки. Его можно использовать для идентификации молекулярных сигнатур, которые поглощают или излучают на длинных радиоволнах, и может достигать разрешения, достаточного для картографирования газа и его свойств даже в других галактиках.
Но есть шанс, хотя и небольшой, что мы сможем реализовать технологический обходной путь. Видите ли, когда вы строите очень большой телескоп, он делает две жизненно важные вещи.
- Он собирает свет и обладает светосилой, пропорциональной площади его поверхности.
- Он разрешает объекты и позволяет отличить их друг от друга с разрешением, пропорциональным количеству длин волн света, проходящих через его главное зеркало.
Если объект, который мы пытаемся изобразить, достаточно яркий, нам может не понадобиться вся эта светосила; мы могли бы просто выполнить необходимую работу, если бы у нас было правильное разрешение.
Есть трюк, который мы использовали для очень длинных длин волн света, который, в принципе, может работать и для оптических длин волн: интерферометрия с очень длинной базой. Если бы мы могли построить сеть небольших оптических телескопов, распределенных по всей Солнечной системе, мы бы получили только светосилу суммы площадей всех отдельных телескопов, но мы получили бы разрешение разделения между телескопы! Это невероятная задача, но если мы справимся с ней, мы сможем получить изображение с более высоким уровнем детализации, чем когда-либо считали возможным оптические астрономы. Несмотря на то, что до этого далеко, возможно, это наша лучшая технологическая надежда увидеть, как на самом деле выглядит инопланетная жизнь.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!