Поиск пригодных для жизни планет в других звёздных системах значительно продвинулся за последние десятилетия. На момент написания этой статьи астрономы подтвердили существование 5989 планет в более чем 4500 планетных системах, и ещё более 15 000 кандидатов ожидают подтверждения. В то же время обсерватории нового поколения, такие как космический телескоп «Джеймс Уэбб», совершили удивительные прорывы в описании экзопланет. К сожалению, учёные ещё не достигли того уровня, на котором они смогут чётко определять характеристики планет меньшего размера, расположеных близко к своим звёздам – там, где, вероятно, и находятся планеты, подобные нашей Земле.

Другими словами, поиск аналогов Земли (Земли 2.0) продолжается и зависит от развёртывания более мощных инструментов, таких как космический телескоп «Нэнси Грейс Роман» (RST). Но что, если сами инструменты можно улучшить путём пересмотра их конструкции? В новом исследовании группа под руководством профессора Хайди Ньюберг из Политехнического института Ренсселера (RPI) предложила построить телескоп с треугольным зеркалом вместо традиционного круглого. Они утверждают, что телескоп такой конструкции может обеспечить более простой путь к открытию обитаемых миров.

Хайди Ньюберг — профессор астрофизики на кафедре физики, прикладной физики и астрономии RPI в Трое, штат Нью-Йорк. К ней присоединились коллеги с кафедры машиностроения, аэрокосмической и ядерной инженерии RPI и из Лаборатории экзопланет и звёздной астрофизики в Космическом центре Годдарда НАСА. Статья с изложением их выводов была опубликована 1 сентября в журнале «Frontiers in Astronomy and Space Sciences».

Поиск Земли 2.0

Поскольку Земля — единственная известная нам планета, поддерживающая жизнь, учёные вынуждены использовать самый простой подход при поиске обитаемых планет. Это означает, что они сосредотачиваются на скалистых планетах, которые обращаются вокруг звёзд, схожих по размеру и температуре с Солнцем (жёлтые карлики G-класса). В пределах 30 световых лет от Земли находится примерно 60 солнцеподобных звёзд, и у некоторых из них могут быть скалистые планеты, достаточно тёплые, чтобы поддерживать жидкую воду на поверхности. Как объяснила профессор Ньюберг, это представляет собой серьёзную проблему для обычных телескопов с круглыми зеркалами:

«Даже в лучшем случае звезда в миллион раз ярче планеты; если два объекта сливаются в одно размытое пятно, нет никакой надежды обнаружить планету. Теория оптики гласит, что лучшее разрешение, которое можно получить в изображениях телескопа, зависит от размера телескопа и длины волны наблюдаемого света. Планеты с жидкой водой излучают больше всего света на длинах волн около 10 микрон (что в 20 раз больше типичной длины волны видимого света). На этой длине волны телескопу необходимо собирать свет на расстоянии не менее 20 метров [иметь зеркало такого диаметра], чтобы ему хватило разрешения для отделения Земли от Солнца, находящихся на расстоянии 30 световых лет [от нас]».

Кроме того, телескоп должен находиться в космосе, поскольку атмосферные помехи значительно затрудняют обнаружение света от удалённых источников. Однако крупнейший из развёрнутых космических телескопов, «Уэбб», может похвастаться главным зеркалом диаметром 6,5 метров. Более того, сложная конструкция «Уэбба» привела к значительным задержкам и перерасходу средств, а его запуск был чрезвычайно трудоёмким делом. Эти проблемы заставили астрономов задуматься о других подходах к наблюдению удалённых объектов.

Например, возможен запуск нескольких меньших телескопов, парящих в космосе согласованной группой, которые могут собирать больше света, чем одно зеркало. Этот свет комбинируется с помощью техники, известной как интерферометрия, чтобы создать более чёткое изображение изучаемых объектов. Это также представляет сложности, поскольку телескопы должны поддерживать чрезвычайно точные расстояния между собой, что невозможно при нынешних технологиях. Другое предложение — использовать меньшие телескопы, которые наблюдают объекты в более коротких длинах волн света. Однако это требует блокировки света от звезды, чтобы приборы могли получить изображения экзопланет с высоким разрешением.

В то время как современные телескопы полагаются на коронографы, чтобы блокировать свет звезды, они ещё недостаточно совершенны для достижения необходимого разрешения. Ещё одна возможность — развернуть космический аппарат под названием «звёздный щит» (starshade), который будет летать на десятки тысяч километров впереди космического телескопа, чтобы блокировать свет от наблюдаемых звёзд. «Однако этот план требует запуска двух космических аппаратов (телескопа и звёздного щита), — сказала профессор Ньюберг. — Более того, наведение телескопа на разные звёзды потребовало бы перемещения звёздного щита на тысячи километров, что расходовало бы непозволительно большое количество топлива».

Треугольные телескопы

В качестве альтернативы профессор Ньюберг и её команда предложили телескоп примерно того же размера, что и «Уэбб», работающий в том же среднем-дальнем инфракрасном диапазоне (10 микрон). Однако их концепция телескопа оснащена прямоугольным зеркалом длиной 20 метров, а не круглым зеркалом диаметром 6,5 метров. С зеркалом такой формы и размера, говорит профессор Ньюберг, астрономы смогут отделить свет звезды от света любой вращающейся вокруг неё экзопланеты:

«Чтобы находить экзопланеты в любой позиции вокруг звезды, зеркало можно вращать так, чтобы его длинная ось иногда совпадала с линией "звезда-планета". Мы показываем, что такая конструкция в принципе может найти половину всех существующих землеподобных планет, обращающихся вокруг солнцеподобных звёзд в пределах 30 световых лет, менее чем за три года. Хотя нашей конструкции потребуется дальнейшая инженерия и оптимизация, прежде чем её возможности будут гарантированы, нет очевидных требований, нуждающихся в интенсивной технологической разработке, как в случае с другими ведущими идеями».

Их концептуальный дизайн создан по образцу «Уэбба» и Дифракционного Интерферо-Коронографного Резолвера Экзопланет (DICER) — ещё одного концептуального инфракрасного телескопа, разработанного профессором Ньюберг и её коллегами из Политехнического института Ренсселера (изображение выше). Как и предлагаемый прямоугольный телескоп, эта концепция основана на новой конструкции, включающей два главных зеркала диаметром в несколько метров, плоские дифракционные решётки длиной десять метров и простой коронограф.

Эти концепции представляют собой потенциальные альтернативы запуску множества небольших аппаратов или телескопа и звёздного щита, которые требуют чрезвычайно точного полёта в строю. Это обеспечивает определённую рентабельность и снижает вероятность неудачи, поскольку не основывается на нескольких запусках подряд. Сочетание этих преимуществ в одной обсерватории, заключила профессор Ньюберг, могло бы помочь значительно сузить выборку планет в ближайших звёздных системах, среди которых астрономы будут искать аналоги Земли:

«Если в среднем у каждой солнцеподобной звезды есть примерно одна землеподобная планета, то мы найдём около 30 перспективных планет. Последующее изучение этих планет могло бы идентифицировать те из них, у которых есть атмосферы, указывающие на наличие жизни, например, кислород, образовавшийся в результате фотосинтеза. Для самого перспективного кандидата мы могли бы отправить зонд, который в конечном итоге передаст изображения поверхности планеты. Прямоугольный телескоп мог бы обеспечить прямой путь к идентификации нашей планеты-сестры: Земли 2.0».