Big Think: к 2040 году НАСА запустит флагманскую миссию для поиска внеземной жизни

Существуют несколько фундаментальных вопросов, над которыми всегда бились человеческие умы. Однако получить на них какие-либо определенные ответы можно лишь по мере накопления научного багажа. Вот лишь некоторые из них:

— Что такое Вселенная?

— Как она возникла?

— Почему она стала именно такой?

— Что ее в конечном итоге ожидает?

Все эти вопросы волновали человечество еще с незапамятных времен. И все же, в XX, а теперь уже и в XXI веке мы наконец-то начинаем получать более подробные ответы на них благодаря невероятным достижениям в области физики и астрономии. Однако, пожалуй, самый важный из всех вопросов — одиноки ли мы во Вселенной — так и остается неразгаданным.

Ответ на этот вопрос еще не найден, даже несмотря на тот факт, что с помощью современного поколения наземных и космических телескопов, человек способен исследовать далекие просторы Вселенной. Но чтобы до них добраться, нам нужно непосредственно получить изображения экзопланет, подобных Земле, — то есть таких планет, размеры и температура которых соответствуют Земле. Кроме того, эти планеты должны вращаться вокруг звезд, подобных Солнцу, а не вокруг более распространенных во Вселенной красных карликов, таких как Проксима Центавра или TRAPPIST-1. Именно поиск объектов с такими параметрами будет осуществляться в рамках флагманской миссии космических исследований, о которой недавно объявило НАСА. Слишком амбициозное намерение, но оно того стоит. И все-таки, если вдруг выяснится, что во Вселенной мы не одни, то это ознаменует величайший переворот во всей истории науки.

В наше время человечество ищет инопланетную жизнь преимущественно следующими тремя способами.

— Мы исследуем планеты Солнечной системы и их спутники (в том числе Марс, Венеру, Плутон, Титан и Европу) дистанционно, посредством облета этих небесных тел орбитальными аппаратами, а также при помощи посадочных модулей и даже планетоходов. Цель — найти какие-нибудь свидетельства примитивных форм жизни, которые, быть может, появлялись на этих планетах в прошлом, а может существуют и сегодня.

— Мы изучаем экзопланеты с целью поиска доказательств существования на них жизни: здесь изучается все — от поверхности до атмосферы (включая области, прилегающие к ней извне). При этом анализируются ее цвет, сезонные изменения и состав.

— В рамках таких проектов, как SETI и Breakthrough Listen, человечество пытается уловить хотя бы какие-то сигналы, которые бы подтверждали существование разумных инопланетных существ.

У каждого из перечисленных подходов есть свои преимущества и недостатки. Однако большинство ученых считают, что именно второй способ принесет нам первый успех.

Если окажется, что для возникновения жизни требуются условия, подобные земным, то в этом случае наша планета вполне может оказаться единственной и неповторимой во всей Солнечной системе, и больше нигде в других областях Вселенной жизнь не может возникнуть, сохраниться и процветать. Если поблизости от Земли нет каких-либо разумных цивилизаций, способных активно передавать радиосигналы, то проект SETI, конечно же, никаких положительных результатов не даст. Однако, если же найдется пусть даже небольшое количество каких-нибудь экзопланет, на которых природные условия будут напоминать земные и на которых существует жизнь, то исследования подобных космических тел вполне могут увенчаться успехом, которого мы бы не смогли добиться при использовании первого и третьего вариантов. Мы уже довольно долго занимаемся исследованиями экзопланет: специалистам доподлинно известны более пяти тысяч подобных экзопланет в Млечном Пути. Причем известны масса, радиус и период обращения большинства подобных объектов.

К сожалению, имеющейся информации отнюдь недостаточно, чтобы окончательно заявить о том, что некоторые из этих планет обитаемы. Для того, чтобы точно установить факт наличия жизни, нам нужно нечто большее. Необходимо получить ответы на такие вопросы:

— имеется ли у экзопланеты атмосфера?

— есть ли на ней облака, выпадают ли осадки, наблюдается ли изменение климата?

— меняется ли в зависимости от времени года окраска континентов на этой экзопланете, как это происходит на Земле, с зеленой на коричневую?

— имеются ли в атмосфере экзопланеты определенные газы или их смеси, по наличию которых можно судить о какой-либо биологической активности? Наблюдаются ли сезонные колебания процентного содержания этих газов, подобно тому как это происходит с показателем содержания углекислого газа на Земле?

В наши дни подобные исследования проводятся с помощью передового научного оборудования: космического телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST) и наземных десятиметровых телескопов. С их помощью получают изображения экзопланет и проводят транзитную спектроскопию.

К сожалению, этих телескопов недостаточно для изучения характеристик планет размером с Землю, обращающихся на тех же самых орбитах, что и наша планета, вокруг звезд, подобных Солнцу. Специалисты научились получать непосредственные изображения планета размером с Юпитер, которые находятся на удалении, превышающем расстояние от Солнца до Сатурна, — все это, конечно, хорошо для газовых гигантов, но не подходит для поиска жизни на тех планетах, которые состоят из твердого вещества. Транзитная спектроскопия подразумевает наблюдение за светом, который проникает через атмосферу планеты земного типа в тот момент, когда эта планета проходит на фоне диска красного карлика. Однако планеты земного типа, обращающиеся вокруг звезд, подобных Солнцу, находятся очень далеко — вне пределов досягаемости современной аппаратуры.

В чем-то специалисты уже преуспели, однако если мы хотим найти и описать какую-нибудь обитаемую планету, нужно идти дальше. В настоящее время специалисты строят наземные телескопы нового поколения — начинается эра тридцатиметровых телескопов, например, Гигантского Магелланова телескопа (Giant Magellan Telescope, GMTO) и Чрезвычайно большого телескопа (Extremely Large Telescope, ELT). Специалисты с нетерпением ожидают следующий передовой проект НАСА в области астрофизики — Космический телескоп Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope, NGRST), который обладает теми же возможностями, что и Хаббл, но есть и отличия — на нем установлена превосходная аппаратура. Поле зрения у него в 50-100 раз больше, чем у Хаббла. Кроме того, на нем установлен коронограф, позволяющий наблюдать планеты в свете их родительской звезды. При этом, в отличие от телескопа JWST, NGRST способен улавливать самый слабый свет.

Однако даже будучи вооруженными столь мощными инструментами, мы способны наблюдать лишь планеты земного типа, обращающиеся вокруг ближайших к нам красных карликов, а также планеты, масса которых превышает земную, но не превосходит массы Нептуна, которые обращаются вокруг звезд подобных Солнцу. Для того, чтобы получить изображение планеты, действительно похожей на Землю, нам потребуется использовать более модернизированную обсерваторию, которая бы обладала еще бóльшими возможностями.

К счастью, технологии не стоят на месте, и мы отнюдь не довольствуемся имеющимися достижениями. Каждое десятилетие Национальная академия наук США на общем собрании определяет основные приоритеты в области астрономии и астрофизики, а также дает рекомендации в рамках десятилетнего обзора. В итоге, были предложены четыре стратегические программы:

1. Lynx — рентгеновская обсерватория нового поколения. Ее значимость особенно велика, если учесть сокращение масштабов предстоящей миссии Европейского космического агентства Athena (Athena — проект ЕКА по запуску большого рентгеновского телескопа — Прим. ИноСМИ.);

2. Origins — обсерватория нового поколения, работающая в дальнем инфракрасном диапазоне. Она заполняет громадный пробел на шкале электромагнитного спектра, в рамках которого специалисты изучают Вселенную;

3. HabEx — однозеркальный телескоп, предназначенный для непосредственного наблюдения за ближайшими к Земле экзопланетами;

4. LUVOIR — амбициозный проект по созданию гигантского телескопа с сегментированным зеркалом. Этот телескоп должен стать универсальной астрономической обсерваторией, о которой можно только мечтать.

С одной стороны, рекомендовалось построить все четыре телескопа. В то же время, наибольший приоритет следовало отдать продвинутой версии телескопа HabEx, в которой должны быть учтены особенности не только телескопа HabEx, но и LUVOIR с тем, чтобы создать Обсерваторию обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory, HWO). По большому счету, предложенный проект — это компромисс между, с одной стороны, уровнем развития современных технологий, возможностью обнаружения экзопланет на основе имеющейся информации и, с другой стороны, — экономической эффективностью, включая опыт, извлеченный в результате решения тех проблем, которые возникали при создании и запуске телескопа JWST.

Предложенные к настоящему времени требования к проекту очень обнадеживают, перечислим их:

— конструкция сегментированного оптического зеркала аналогична той, что уже используется в телескопе JWST;

— тот же тип коронографа, который в настоящее время разрабатывается и обкатывается для телескопа NGRST;

— современные датчики, которые могут управлять различными сегментами зеркала для достижения стабильности с точностью приблизительно вплоть до пикометра;

— совместимость с ракетами следующих поколений, которые будут использоваться в конце 2030-х — начале 2040-х годов;

— плановое роботизированное обслуживание компонентов в точке Лагранжа L2, расположенной примерно на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли;

— все имеющиеся новые технологии были полностью обкатаны вплоть до этапа разработки/воплощения проекта.

Все вышесказанное чрезвычайно обнадеживает, поскольку представленный план — вполне осуществим, его можно воплотить в жизнь без особых задержек и превышения стоимости, которые возникали в первую очередь из-за того, что специалистам необходимо было кроме всего прочего создать совершенно новое техническое оснащение (эти проблемы преследовали проект JWST в течение многих лет вплоть до его реализации).

Благодаря своему техническому оснащению, у Habitable Worlds Observatory (HWO) появится отличный шанс воплотить самую заветную мечту астрономов — впервые в истории открыть обитаемую планету. Благодаря тому, что размеры HWO составляют от 6,0 до 6,5 метров (что сравнимо с габаритами JWST), у специалистов появляется возможность напрямую получать изображения планет земного типа, которые обращаются вокруг звезд, расположенных в радиусе примерно 14 световых лет от Земли. И здесь важен каждый дополнительный сантиметр диаметра: если удвоить радиус наблюдения, то объем поиска и ожидаемое количество объектов увеличивается в восемь раз. На относительно близком расстоянии от Солнца находятся:

— в пределах десяти световых лет от Земли — девять звездных систем;

— в пределах 12 световых лет от Земли — 22 звездные системы;

— в пределах 15 световых лет от Земли — 40 звездных систем;

— в пределах 20 световых лет от Земли — 95 звездных систем.

Благодаря своей конструкции обсерватория HWO вполне способна вести наблюдение приблизительно за 20 — 30 планетами, подобными Земле. Если существует хотя бы малая вероятность того, что на некоторой планете земного типа есть жизнь, то это означает, что обсерватория HWO сможет обнаружить первую в истории обитаемую планету за пределами Солнечной системы, а быть может и несколько таких планет, если Вселенная будет к нам благосклонна.

Каких-либо неприятных сюрпризов при постройке HWO вряд ли стоит ожидать, ведь специалистам уже приходилось сталкиваться с трудностями при разработке многих передовых технологий, например: пятислойного солнцезащитного козырька для телескопа JWST, конструкции складного/сегментированного зеркала JWST, а также зеркала с изменяемой поверхностью, используемого в коронографе на телескопе NGRST (в настоящее время он проходит испытания в ходе эксперимента PICTURE-C на воздушном шаре-зонде). Поскольку трудности уже были преодолены, то вряд ли HWO столкнется с неожиданностями, как это было с JWST.

И все-таки техническим новшествам всегда сопутствует риск. Так, например, идея роботизированного обслуживания обнадеживает, поскольку она не является чем-то новым, но мы его использовали только на низких околоземных орбитах. Однако на расстоянии до точки Лагранжа L2 (1,5 миллиона километров) даже сигналы, посылаемые к аппарату с Земли со скоростью света, все равно будут приходить с задержкой в десять секунд. Таким образом, для эксплуатации оборудования потребуется не только соответствующая ракетная техника, но и автоматизированная робототехника, которых в настоящее время не существует.

Выравнивание зеркал с допуском в интервале до нескольких пикометров — это большая техническая проблема, для ее решения необходимо справиться с другими задачами, которые выходят далеко за пределы задачи юстировки зеркал в интервале нанометров, решенной к настоящему моменту. С этой целью потребуется лишь постепенно довести до ума ныне существующую технологию, для чего понадобятся значительные ресурсы. Правда, они в настоящее время уже выделяются в рамках развития технологий на стадии проектирования и на предпроектном этапе.

Большую проблему представляет собой вопрос о пригодности разрабатываемого в настоящее время коронографа телескопа NGRST для HWO. Работа коронографа на телескопе JWST оправдывает наши ожидания, этот коронограф позволяет специалистам находить и получать изображения планет, яркость которых составляет всего лишь одну стотысячную от яркости их родительских звезд. Ожидается, что телескоп NGRST будет в тысячу раз мощнее телескопа JWST. Зеркало коронографа с изменяемой поверхностью оптимизировано таким образом, чтобы как-то справиться с интерференционными паттернами и рассеянным светом, исходящим от коронографа, имеющего идеально круглую форму.

Здесь нужно отметить следующее: одна из причин, по которой коронограф телескопа NGRST будет работать намного лучше, чем коронограф телескопа JWST, заключается в том, что у JWST — сегментированное мозаичное зеркало, в то время как в NGRST будет установлено одно круглое монолитное зеркало. Именно из-за формы зеркала телескопа JWST вокруг каждой звезды и яркого точечного источника света, запечатленных на изображениях, появляется характерный ореол в виде «снежинки» — и возникает этот дефект вследствие конструктивных особенностей оптики.

Однако коронографы имеют круглую форму и не способны эффективно «расправиться» с рассеянным светом, который исходит от острых краев (в том числе от шестиугольных сегментов, от «уголков» на внешних краях зеркала, а также от «зазоров» почти миллиметрового размера, расположенных между различными сегментами).

Все это представляет собой очень большую проблему и для HWO, поскольку конструкция этой обсерватории напоминает конструкцию JWST, а в особенности еще и по той причине, что на ней должна быть установлена коронографическая аппаратура с разрешением в одну десятимиллиардную, что позволит получать изображения планет, похожих на Землю, которые обращаются вокруг звезд, подобных Солнцу, — а это еще примерно в сто раз больше, чем у коронографа, установленного на телескопе NGRST.

Одним из возможных решений является запуск вместе с обсерваторией HWO, либо даже после нее, так называемого «звездного щита» («звездный щит», или «starshade», — это структура, разработанная для того, чтобы звездный свет не попадал на главное зеркало HWO). Эту технологию вполне можно воплотить, правда она дорогостоящая, а эффективность ее ограниченна: всякий раз, когда обсерватории HWO нужно будет переходить с одной цели на другую, ей придется переместиться в космическом пространстве почти на 80 тысяч километров. Таким образом, она ежегодно сможет получать изображения где-то одного-двух космических систем — и это предел.

Можно предложить и совсем уж нестандартное решение, а именно: вместо традиционного сегментированного зеркала создать комбинацию круговых зеркал, как у строящегося в настоящее время телескопа Giant Magellan Telescope. В этом случае, вместо восемнадцати состыкованных друг с другом шестиугольников, будут установлены семь кругов, при этом, величина светосилы телескопа будет равна площади всех семи кругов вместе взятых, но разрешающая способность будет определяться по диаметру круга, охватывающего все главные зеркала. В данной конструкции:

— устранены все проблемы с рассеянным светом, которые возникают у телескопов, напоминающих JWST;

— можно было бы использовать уже имеющуюся технологию складывания главного зеркала;

— будет применяться технология, работающая в диапазоне нескольких пикометров, которая разрабатывается для зеркал-сегментов;

— вместо одного вторичного зеркала и/или одного коронографа у каждого из семи сегментов могут быть установлены свои зеркала и коронографы, и, при этом, никакие провода не будут мешать работе оптической системы главного зеркала, поскольку вторичное зеркало (зеркала) можно будет удерживать с помощью проводов, которые в этом случае будут проходить в зазорах между круглыми сегментами. Именно по этой причине телескоп Giant Magellan Telescope станет первой обсерваторией мирового уровня, который будет выдавать нам изображения звезд без дифракционных лучей.

Если космический телескоп HWO удастся успешно спроектировать и реализовать, то:

— он будет запущена уже в конце 2030-х — начале 2040-х годов;

— смета расходов не будет превышена и проект будет реализован вовремя;

— благодаря своей конструкции HWO вполне сможет осуществлять наблюдения и без «звездного щита»;

— ему вполне будет хватать своей энергии, а его оборудование можно будет обслуживать и заменять;

— к нему в любое время можно добавить «звездный щит»;

— вполне возможно, что с помощью HWO специалисты получат достаточное количество изображений планет земного типа, что позволит нам обнаружить по крайней мере одну экзопланету (а может быть, даже несколько), на которой есть жизнь.

При проектировании этого телескопа остается ответить на следующий важный вопрос: каково соотношение между количеством землеподобных экзопланет, изображения которых этот телескоп может получить, и затратами на его создание. Диаметр объектива (он находится в диапазоне от шести до семи метров) кажется вполне оптимальным, но этого, наверное, отнюдь недостаточно, поскольку эта обсерватория слишком мала и на нее нужно было бы не жалеть финансирования. Ведь, в конце концов, перед нами стоит задача отыскать обитаемую планету.

Нам никогда нельзя забывать, что, пытаясь найти жизнь за пределами Земли, мы как бы играем в лотерею. Каждая планета земного типа, которую мы хотим запечатлеть и параметры которой мы хотим определить, — это своего рода лотерейный билет, причем вероятность выигрыша по нему неизвестна. Эта вероятность полностью зависит от того, какие именно билеты являются выигрышными, и в достаточном ли количестве мы их купили. Но до тех пор, пока мы не получим данные из HWO, мы не сможем определить те условия, при которых вероятность выигрыша будет высокой, — вот в чем все дело. Именно по этой причине нам необходимо сконструировать телескоп таким образом, чтобы увеличить шансы и открыть экзопланету, на которой есть жизнь. Если все-таки удастся это сделать, то человечеству вполне возможно удастся ответить на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной. И, быть может, мы получим твердый ответ: «Нет, мы здесь не одни».