«Техника-молодежи» 2001 г №2, с.12-15
| А |
строномам, историкам и фантастам известна «формула Дрейка», позволяющая подсчитать число... цивилизаций в нашей Галактике. В этой формуле много составляющих: число звезд в Галактике, доля тех, что имеют планеты, на скольких из последних могла возникнуть жизнь, и т.д. До недавнего времени только первый из сомножителей — число звезд в нашей Галактике — считался достоверно установленным, другие же выбирались исходя из позиции конкретного аналитика.
Но в последние пять лет за пределами Солнечной системы было открыто около 60 планет — на порядок больше, чем их найдено в Солнечной системе за все время существования человечества! На пороге тысячелетий мы являемся свидетелями, может быть, одной из самых больших революций в истории науки, поскольку экзопланеты, то есть планеты, обращающиеся вокруг других звезд, а не нашего Солнца, переходят из мира идей в реальность.
Полвека их напрасно пытались отыскать с помощью телескопов, прежде чем в 1995 г произошло историческое открытие планеты 51 PEG; затем каждые два месяца находили по одной планете; начиная с 1997 г. открытия следовали по одному в месяц, затем каждые две недели, и сейчас темп неуклонно увеличивается.
Ускорению способствует технический прогресс, улучшение методик поиска и все возрастающее число астрономов, впервые окунающихся в эти галактические эльдорадо. Сто экзопланет будут известны к 2001-2002 гг, тысяча — к 2005 г., сто тысяч — к 2015-му, а немного позднее — миллион...
Так как законы статистики неопровержимы, экстраполируя полученный совсем близко к Солнцу — на удалении от 40 до 150 световых лет — результат, легко спрогнозировать общее число планет, существующих только в нашей Галактике: от 5 до 50 млрд по последним оценкам.
Можно обнаружить эти планеты косвенными методами, измерить их расстояние до звезды, период обращения, эксцентричность орбиты, массу — но, оказывается, их можно и увидеть!
Правда, в видимом диапазоне звезда ярче своей планеты, в зависимости от размеров последней, в 10-7 — 10-9 раз. Пусть орбитальный телескоп NGST (Next Generation Space Telescope — космический телескоп следующего поколения, возможная грядущая замена «Хаббла») будет работать в ИК-диапазоне, где эта разница сокращается до 10-5 — 10-6 раз, но даже тогда — что мы увидим?
Экзопланета предстанет как светящаяся точка, утопающая в излучении своей звезды, ослабленном маскирующей системой телескопа — коронографом. Такое изображение позволит уточнить орбитальные характеристики планеты, ее массу, температуру поверхности, наконец, ее диаметр. И, разумеется, оно будет иметь неоценимое символическое значение (не угадываем, а видим!).
Но эта методика применима только к «юпитерообразным» газовым гигантам, которые сейчас начинают открывать десятками. Астрономы же мечтают об открытии, а затем и наблюдении «святого Грааля» экзопланетологии — внесолнечных планет, схожих с Землей. В противоположность предыдущей группе, они будут маленькими, плотными, с твердой скальной поверхностью, вероятно — атмосферой. Короче ~ более или менее похожи на Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Плутон, а также (почему бы и нет?) на Луну, Ио, Европу, Титан, поскольку эти спутники такие же крупные и сложные, как сами планеты.
Хотя еще никто не знает, существуют ли такие где-нибудь за пределами Солнечной системы, NASA и ESA (Европейское космическое агентство), каждое, со своей стороны, создают футуристические приборы, способные вести детальные наблюдения этих планет, и не только анализировать их гипотетические атмосферы, но даже... уточнить третий сомножитель формулы Дрейка, обнаруживая на них признаки жизни! С обоих берегов Атлантики, возражая на то, что они-де опережают события, ученые утверждают, что когда эти гигантские космические телескопы покинут Землю — в период 2015 — 2020 гг. — большинство экзопланет в нашем маленьком уголке Млечного Пути уже будут обнаружены.
Американский проект так и назван — «Искатель земных планет» (Terrestial Planet Finder, TPF), европейский — именуется «Дарвин». В реальности оба настолько похожи трудностями технической разработки и стоимостью, что, вполне возможно, со временем сольются в один крупный международный проект.
Сегодня «Дарвин» мыслится как гигантский космический интерферометр, то есть сеть из пяти телескопов по 1,5 м в диаметре, размещенных в пространстве по 50-метровой окружности. Комплекс эквивалентен телескопу с 50-метровым зеркалом, чего вполне достаточно для выделения экзопланет из света их материнской звезды. Интерферометр должен наблюдать звезды в инфракрасном диапазоне, на длинах волн от 6 до 18 мкм, но и в нем различие световых потоков настолько незначительно, что увидеть экзопланету напрямую невозможно, наблюдается лишь специфическая интерференционная картина.
Чтобы обнаружить планету, «Дарвин», медленно вращаясь вокруг своей оси, направленной на изучаемую звезду, будет модулировать слабый сигнал планеты по отношению к светлому фону.
Как и основанный на тех же оптических принципах TPF, «Дарвин» во многом необычен и амбициозен. Чтобы суметь обнаружить чрезвычайно слабый блеск планет земной группы (астрономы называют их светилами тридцатой звездной величины, то есть в 10 млрд раз слабее видимых невооруженным глазом) — блеск, скрытый в светящемся ореоле их звезд, «Дарвину» потребуются исключительные условия для наблюдения: например, его невозможно разместить на околоземной орбите, как «Хаббл». Поэтому астрономы предполагают вывести этот прибор на орбиту Юпитера, в 800 млн км от Солнца.
Швейцарские астрономы Мишель Мэйор (слева) и Дидье Келоз были первыми, кто открыл миры вокруг других звезд. В конце 1995 г. в обсерватории в Верхнем Провансе они наблюдали планету у звезды 51 PEG (созвездие Пегаса), похожей на наше Солнце. |
Прибыв на место после пятилетнего путешествия, «Дарвин» сможет начать свою миссию, продолжительностью, как предполагается, тоже в пять лет Предстоит настоящая «охота», рискованная с научной точки зрения, поскольку интерферометр просканирует около двух сотен звезд, похожих на Солнце и наиболее близких к нему, но у астрономов нет полной уверенности в том, есть ли там объект поиска!
Работа потребует большого терпения, поскольку «Дарвин» будет оставаться нацеленным на каждую звезду, занесенную в его каталог, в течение земных суток. За год исследователи получат статистические оценки числа планет земной группы, существующих в нашей Галактике. В своей инфракрасной области наблюдения «Дарвин» будет практически чувствителен только к излучению планет земной группы, которые расположены, как и Земля, на расстоянии от 100 до 300 млн км от своей звезды и атмосферы которых излучают при температуре, близкой к 0°С. Экзопланетологи надеются, что «Дарвин» сумеет обнаружить несколько десятков «сестер» Земли.
А потом «Дарвину» предстоит выполнить главную часть своей миссии — проверить одну за другой наиболее интересные из найденных планет, в надежде найти ту, что будет как две капли воды похожа на нашу Землю.
Исключаются планеты со скалистой поверхностью, без признаков атмосферы, слишком горячие или слишком холодные. Больше всего астрономов интересуют планеты, расположенные, по возможности, в «обитаемой зоне», то есть там, где вода может существовать в жидком состоянии. Для этой цели гигантский интерферометр будет снова нацелен на «лучшие кандидатуры», и его спектрометр с высоким разрешением начнет долгий анализ.
«Дарвин» будет наблюдать каждую перспективную экзопланету в течение нескольких недель — вплоть до месяца для самых бледных из них. По программе экзобиологов, сначала необходимо обнаружить в атмосфере такой планеты углекислый газ. Затем ученые будут искать в спектрах следы жидкой воды. И конечно, создатели «Дарвина» надеются найти среди данных интерферометра спектральные полосы, многообещающие для жизни, — полосы кислорода.
Кислород, как известно, составляет 21% земной атмосферы. Биологи полагают, что он был произведен в результате фотосинтеза в растениях. Это подтверждается тем, что кислород практически отсутствует в атмосферах других планет Солнечной системы, и ученые не находят естественных процессов, за исключением биологических, которые производили бы и высвобождали его в таком объеме.
Что же потом? На сегодня «Дарвин» видится самым точным и самым сложным оптическим инструментом из когда-либо спроектированных. Если он успешно выполнит свою миссию — найдет планеты, похожие в той или иной степени на Венеру, Марс или Землю, то, вероятно, их исследование станет в ряд крупнейших научных проблем следующего тысячелетия. Но даже с помощью «Дарвина» экзопланеты предстанут только в виде маленьких светящихся точек — желтых, красных или голубых...
Конечно, слетать туда и посмотреть на месте — задачка посложнее. И астрономы начинают думать о том, как исследовать внесолнечные планеты издалека, то есть отсюда.
А почему бы и нет? Планеты Солнечной системы, видимые невооруженным глазом в виде простых разноцветных точек, предстают подлинными пейзажами со сложными атмосферными системами при наблюдении их в телескопы всего лишь несколько метров в диаметре. Сегодня можно создать то, что французский астроном и оптик Антуан Лабейри окрестил «гипертелескопами». Эти инструменты способны показать удаленные экзопланеты так же четко, как телескопы наших высокогорных обсерваторий позволяют нам видеть Марс, Юпитер, Сатурн или Нептун.
Экзопланеты находятся в миллион раз дальше от Земли, чем Марс или Юпитер. Однако законы оптики нерушимы: они гласят, что разрешение (то есть четкость деталей), достигаемое оптической системой, напрямую зависит от ее диаметра и длины волны, на которой ведется наблюдение. Например, космический телескоп «Хаббл» может разглядеть на Марсе, когда тот находится в 200 млн километрах от Земли, детали размером 100 км: этого достаточно, чтобы различить кратеры, некоторые подробности рельефа и особенно полярные шапки и облачный покров красной планеты. Если же планета находится в десять раз дальше, то и разрешение будет вдесятеро ниже.
 | Один из наиболее амбициозных проектов, Planet Imager, разработанных NASA, должен позволить обнаружить планеты, на которых есть высокая вероятность развития жизни. Предполагаемый срок реализации — 2030 г. |
По расчетам того же Антуана Лабейри, вероятно, можно создать космический интерферометр, достаточно большой для того, чтобы напрямую наблюдать на экзопланетах, расположенных на расстоянии от 10 до 30 световых лет, детали, сравнимые с теми, которые «Хаббл» различает на поверхности планет Солнечной системы. Гипертелескоп Антуана Лабейри, названный «Ехо-Earth lmager» («Наблюдатель земных экзопланет»), будет представлять собой сеть из 150 телескопов того же размера, что и «Хаббл», расположенных в пространстве тремя концентрическими кольцами, самое большое из которых достигнет диаметра... 150 км!
Это гигантское виртуальное зеркало должно быть установлено вдали от Земли — возможно, как и «Дарвин», на орбите Юпитера. Разрешение гигантского интерферометра позволит различить экзопланеты типа Меркурия или Луны, газовые гиганты (напоминающие Уран, Нептун, Сатурн или Юпитер); планеты земного типа обнаружат свою геологическую, вулканическую активность, и тогда астрономы легко распознают миры, обладающие атмосферой, покрытые водой — в ее твердом или жидком агрегатном состоянии... Будут заметны естественные спутники, сезонные изменения климата, а возможно (уж мечтать — так мечтать!) — следы биологической активности.
Тем не менее, даже с гипертелескопом от 100 до 1000 км в диаметре, четкость деталей, видимых в других мирах, останется ограниченной и неудовлетворительной — как для планетологов, так и для широкой публики, которая ждет, затаив дыхание, результатов виртуальных исследований этих отдаленных миров.
Несколько маленьких зеркал (или телескопов, изображения которых суммирует компьютер), расположенных по кольцу диаметром D, обеспечат такое же разрешение, как и одно большое зеркало диаметра D. |
Можно ли пойти дальше, «увеличив» изображения экзопланет до тех размеров, которые предстали бы перед нами, если бы мы приблизились к этим телам на борту межзвездного корабля? В принципе — да. Единственное ограничение интерферометра специалисты называют дилюцией (регулированием). Для ясности: оптический интерферометр эффективен до тех пор, пока отношение между его реальной (сумма площадей его индивидуальных телескопов) и виртуальной оптической поверхностью (она определяется максимальным расстоянием между телескопами) остается в разумных пределах.
Как видим, задуманные астрономами сегодня гипертелескопы на основе космических телескопов диаметром от 3 до 8 м, уже могут достигать нескольких сотен километров в диаметре. Дальнейший же рост приводит нас к границе между наукой и фантастикой. Но, конечно, если «Ехо-Earth lmager» обнаружит в Галактике планету, на которой, к примеру, крупные зоны становятся зелеными весной и коричневыми — осенью, то желание «разглядеть поближе» может подвигнуть на создание телескопов, которые все тот же Антуан Лабейри разработал в революционной концепции: с газовыми зеркалами диаметром 100 м!
Интерферометр из 100 таких зеркал будет простираться в пространстве почти на 10 тыс. км. С его помощью можно различить детали величиной в несколько километров на поверхности близкой экзопланеты: горные системы, архипелаги, озера, ледники, растительные покровы, мегаполисы...
А жители? Можно ли будет их увидеть, однажды прильнув глазом к окуляру будущего гипертелескопа? Почему бы и нет, законы оптики, как и гравитация, универсальны. Расчеты показывают: чтобы в деталях увидеть циклопические инопланетные города и начать различать их жителей, необходимо располагать интерферометром диаметром... в 1 млрд км. Техника, подталкиваемая сильной политической волей, могла бы создать этот невероятный виртуальный телескоп за один или два века.
По материалам журнала
«Science & Vie»
| Мнение скептика | А ПЛАНЕТЫ ЛИ ЭТО? |
Например, та же 51 PEG, с которой началась цепь открытий. По расчетам, она вдвое больше Юпитера, но вращается вокруг своей звезды в 7 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу. И, соответственно, «год» ее длится всего... 4,2 земных суток. К сожалению, большинство из открытых экзопланет обладают схожими баллистическими параметрами.
Весьма сложно представить, как такая планета может существовать, а главное — образоваться. Во всяком случае, классическая гипотеза конденсации газопылевого облака здесь дает сбой.
Выдвинуто несколько гипотез (некоторые из них проверены математическим моделированием), объясняющих происхождение странных планетных систем. Оказывается, существуют условия, при которых сформировавшиеся «на своем месте» газовые гиганты «дрейфуют» к центральной звезде. Правда, просчитанные сценарии не предусматривают образования планет земной группы. Так что со вторым сомножителем формулы Дрейка, наверное, спешить пока не стоит...
Станислав СЛАВИН