Что будет после Уэбба? Телескоп НАСА нового поколения для поиска планет

Когда дело доходит до строительства огромных сложных космических телескопов, такие агентства, как НАСА, должны планировать заранее. Несмотря на то, что космический телескоп имени Джеймса Уэбба запущен совсем недавно, астрономы уже заняты тем, что думают о том, что будет после Уэбба, и у них амбициозные планы.

Большой план астрономических исследований на ближайшие десятилетия состоит в том, чтобы найти пригодные для жизни планеты и, возможно, даже найти признаки жизни за пределами Земли. Это высокая цель Обсерватории обитаемых миров, космического телескопа, который в настоящее время находится на стадии планирования и направлен на обнаружение 25 планет, похожих на Землю, вокруг звезд, подобных Солнцу.

Мы поговорили с двумя учеными, работающими над планами этого космического телескопа следующего поколения, чтобы узнать больше.

Сила прямой визуализации

Одна из больших проблем в поиске пригодных для жизни планет за пределами нашей Солнечной системы заключается в следующем: мы редко можем увидеть эти далекие планеты напрямую, потому что планеты такие маленькие и тусклые по сравнению со звездами. Таким образом, чтобы идентифицировать экзопланету, астрономы обычно делают вывод о ее существовании из-за ее воздействия на родительскую звезду. В настоящее время такие инструменты, как космические телескопы Хаббла или Джеймса Уэбба, чаще всего ищут провалы в яркости звезды, когда планета проходит перед ней, что называется транзитом, или они ищут колебание звезды, вызванное гравитацией планеты. называется методом лучевых скоростей.

Эти методы дают нам подсказки, но чтобы по-настоящему глубоко понять экзопланеты, нам нужно иметь возможность напрямую их изображать. Нынешние телескопы редко могут сделать это, потому что это требует такого высокого уровня точности, но ученые уже планируют создание следующего поколения космических телескопов, которые смогут делать снимки экзопланет.

Следующим большим космическим телескопом, который будет запущен, является космический телескоп Нэнси Грейс Роман, который планируется запустить в 2027 году. Он проведет обзор неба, чтобы оценить, сколько там пригодных для жизни экзопланет. После этого появится Обсерватория обитаемого мира, планируемый космический телескоп, который будет непосредственно отображать похожие на Землю экзопланеты вокруг звезд, подобных Солнцу, и который должен быть запущен примерно в 2040 году. миры, где мы могли бы искать доказательства существования жизни за пределами Земли.

Правильный выбор длины волны

Если вы следили за новостями о космическом телескопе Джеймса Уэбба, то наверняка слышали, что он смотрит в инфракрасной части электромагнитного спектра. Это важно для его цели изучения самых ранних галактик, поскольку позволяет ученым видеть галактики с высоким уровнем красного смещения. Инфракрасное излучение также полезно для наблюдения за облаками пыли и структур, которые в противном случае были бы скрыты.

Однако план Обсерватории обитаемых миров состоит в том, чтобы исследовать оптические и ультрафиолетовые длины волн. Эти длины волн полезны для идентификации сигнатур определенных атомов, таких как водород или кислород, поэтому мы можем направить наши инструменты на планету и узнать, из чего состоит ее атмосфера.

Существуют всевозможные варианты того, какие именно атомы или соединения мы могли бы искать, но сейчас кислород является ведущим выбором для того, что называется биомаркером или подсказкой, указывающей на потенциальное присутствие жизни. Обнаружение кислорода на далекой планете может быть признаком того, что она требует дальнейшего изучения.

«Идеальной сигнатуры биомаркера не существует, — сказал Дэвид Синг из Университета Джонса Хопкинса, поскольку мы могли бы также искать атомы, такие как метан, и всегда есть вероятность ложного срабатывания, — но кислород действительно важен».

Кислород также испускает очень сильный сигнал, что облегчает его обнаружение. В частности, озон — разновидность кислорода с тремя связанными атомами — имеет очень сильную подпись в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Подумайте о том, как озоновый слой на Земле защищает нас от ультрафиолетового излучения Солнца, и вы поймете, как ученые могли сделать вывод о наличии озона на далекой планете, если увидели, что определенная длина волны ультрафиолетового света блокируется.

Как построить оптический/ультрафиолетовый телескоп

Сосредоточившись на оптических и ультрафиолетовых длинах волн, обсерватория обитаемых миров будет больше похожа на космический телескоп Хаббла, чем на космический телескоп Джеймса Уэбба. И это дает некоторые преимущества с точки зрения того, как вы строите телескоп.

Инфракрасные телескопы, такие как Уэбб, очень чувствительны к температуре (потому что, когда что-то нагревается, они испускают инфракрасное излучение). Таким образом, для точной работы Webb необходимо охлаждать до чрезвычайно низких рабочих температур, всего несколько градусов Кельвина для некоторых инструментов. Это делает телескоп более сложным и дорогим в постройке, так как требует криогенной системы охлаждения.

Для такого телескопа, как Обсерватория обитаемых миров, такое экстремальное охлаждение не требуется, что помогает снизить затраты.

Еще одно ключевое различие между инфракрасными телескопами, такими как Уэбб, и оптическими/ультрафиолетовыми телескопами, такими как обсерватория обитаемых миров, — это зеркало. Главное зеркало Уэбба покрыто золотом, которое очень хорошо отражает инфракрасный свет. Но оптический/ультрафиолетовый телескоп имеет зеркало, покрытое серебром, которое более эффективно отражает эти длины волн.

Новые технологии для нового десятилетия

В некотором смысле мы уже точно знаем, какие инструменты потребуются для поиска обитаемых миров, поскольку это обновления существующих инструментов, а не совершенно новые концепции.

Например, инструменты на «Обитаемых мирах» будут чем-то похожи на инструменты на «Джеймс Уэбб» или «Хаббл», поскольку они будут состоять из камер и спектрографов. Камеры будут использоваться для поиска экзопланет в других звездных системах, и как только планета будет идентифицирована, ее можно будет изучить более подробно с помощью спектрографов. Спектрографы работают, разделяя входящий свет на разные длины волн, чтобы увидеть, какие длины волн были поглощены. Это говорит вам, из чего состоит объект, на который вы смотрите, и именно так вы можете увидеть, есть ли у экзопланеты атмосфера и из чего она состоит.

Усовершенствовать эти инструменты и сделать их более точными — нетривиальная задача. В дополнение к прямому обнаружению космические телескопы следующего поколения также будут использовать такие методы, как радиальная скорость, для идентификации экзопланет. А более точные спектрографы позволят использовать такие методы, как сверхточная радиальная скорость, что позволит более точно измерять массы экзопланет, вращающихся вокруг солнцеподобных звезд.

Но необходимы и более теоретические достижения. Например, одним из основных факторов, необходимых для улучшения нашего понимания экзопланет, является улучшение нашего понимания звезд. Звезды могут становиться ярче или тусклее по разным причинам, и нам нужно более точно моделировать это, если мы хотим определить, вызвано ли изменение присутствием экзопланеты или изменением самой звезды.

Охота на обитаемость

Однако даже с совершенно новым телескопом, оснащенным новейшими технологиями, найти жизнь за пределами нашей Солнечной системы будет непросто. Это потому, что обитаемость — это сложная концепция , которая требует большего, чем просто определение похожей на Землю планеты, вращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу.

«Планета, которая выглядит так, будто имеет подходящую яркость, чтобы быть планетой размером с Землю, которая имеет примерно круговую орбиту в том, что мы бы назвали обитаемой зоной, показывает некоторые признаки водяного пара, возможно, немного кислорода, нет никакой внутренней планеты-гиганта. Это всколыхнуло ситуацию, звезда не слишком активна — именно такую ​​систему мы надеемся найти в качестве кандидата на потенциально обитаемую планету», — сказал Скотт Гауди из Университета штата Огайо.

Но как бы ни было заманчиво представить сценарий, в котором мы построим этот телескоп, найдем пригодную для жизни планету, а затем сразу же обнаружим жизнь, это не сработает, сказал Гауди.

Чтобы правильно искать пригодные для жизни экзопланеты, «нам действительно нужно получить весь контекст, что означает изучение других планет в системах, дисков обломков, изучение звезд», — сказал Гауди. «Это то, что действительно поможет нам понять, действительно ли эти планеты пригодны для жизни».

Есть искушение представить, что «мы построим обсерваторию обитаемых миров, найдем жизнь и закончим», — сказал Гауди, но «так не пойдет. Если нам повезет, мы найдем одну или две, а то и три системы, которые выглядят довольно многообещающе. А потом нам придется построить что-то еще большее и лучшее».

Работа нескольких поколений

Даже если мы сможем найти идеально выглядящую систему с потенциально обитаемым миром, похожим на Землю, следующим шагом будет рассмотрение еще более сложных факторов, таких как, какая часть планеты покрыта океанами и какая представляет собой земельный массив. Поиск жизни — это не то, что будет решено в ближайшее время, но сейчас ученые закладывают основу для обсерватории обитаемых миров, чтобы через 20 лет взяться за следующую часть работы.

Это похоже на то, как примерно в 2000 году началось планирование космического телескопа Джеймса Уэбба, и сегодня ученые только начинают использовать этот инструмент для открытий.

«Несколько десятилетий назад я был всего лишь молодым студентом. Но я пожинаю плоды всей той тяжелой работы, которую люди проделали в то время», — сказал Синг. «И это поколение ученых чувствовало себя так, потому что люди сделали это за них с космическим телескопом Хаббла. Итак, это наследие, в котором вы пожинаете плоды того, что сделали ведущие ученые 20 лет назад. И вы хотите убедиться, что это наследие сохранится и через 20 лет».

Потому что вопрос о том, может ли жизнь существовать за пределами Земли, является одним из самых глубоких вопросов, стоящих сегодня перед наукой, и он не будет решен быстро. Обсерватория обитаемых миров — это следующий шаг в этом путешествии, но не конечная точка.

«Это работа нескольких поколений, возможно, нескольких столетий, в которой мы участвуем», — сказал Гауди. «И я думаю, что мы должны с оптимизмом смотреть на этот процесс, но мы также должны быть скромными».