Фото земли, полученное камерой DSCOVR-EPIC, и оно же, ухудшенное до разрешения 3х3 пикселя – примерно в таком виде исследователи будущего увидят экзопланеты

За последнее десятилетия, в основном благодаря миссии Кеплер, наши знания касательно планет других звёздных систем чрезвычайно сильно увеличились. От всего нескольких миров – в основном массивных, с быстрыми, внутренними орбитами, вращающихся вокруг звёзд с небольшой массой – к буквально тысячам планет совершенно разных размеров. Теперь мы знаем, что миры размером с Землю и чуть побольше встречаются чрезвычайно часто. Обсерватории из следующего поколения, которые появятся как в космосе (например, телескоп Джеймса Уэбба), так и на земле (ГМТ и ELT), смогут напрямую сфотографировать ближайшие из этих миров. Как же они будут выглядеть? Об этом спрашивает наш читатель:

Какого рода разрешение можно ожидать от этих фото? Несколько пикселей, или каких-нибудь видимых подробностей?

Сами по себе фотографии не будут очень впечатляющими. Однако из них мы сможем узнать всё, о чём можно мечтать (в разумных пределах).


Проксима b на орбите вокруг Проксима Центавра, в представлении художника. При помощи будущих 30-метровых телескопов мы сможем увидеть её напрямую, но не так красиво, как на картинке.

Для начала разберёмся с плохими новостями. Ближайшая к нам звёздная система – Альфа Центавра, она расположена всего в 4 световых годах от нас. Она состоит из трёх звёзд:

• Альфа Центавра А, звезда класса G, как Солнце;
• Альфа Центавра В, более холодная и менее массивная звезда класса К, она вращается вокруг Альфа Центавра А на орбите, сравнимой с орбитами наших газовых гигантов;
• Проксима Центавра, гораздо более холодная и менее массивная звезда М-класса, у которой есть по меньшей мере одна планета размером с Землю.

Вокруг этой тройной звёздной системы может существовать гораздо больше планет, но они будут мелкими, а расстояние от них до звёзд будет огромным.


Новая 5-зеркальная оптическая система ELT. Перед тем, как попасть в научные инструменты, свет отражается от вогнутого 39-метрового сегментированного основного зеркала (М1), а потом отражается от двух последующих 4-метровых зеркал, выпуклого М2 и вогнутого М3. Два последних зеркала, М4 и М5, формируют адаптивную оптическую систему, что позволяет получать чрезвычайно резкие изображения на последней фокальной плоскости. Световая мощность и угловое разрешение в 0,005" этого телескопа будут лучше, чем у любого другого в истории.

Крупнейший телескоп из всех, что строятся, ELT, будет иметь 39 м в диаметре, а значит, максимальное угловое разрешение в 0,005 угловых секунд; 60 угловых секунд составляют 1 угловую минуту, а 60 угловых минут – 1 градус. Если поместить планету размером с Землю рядом с Проксимой Центавра, ближайшей к нашему Солнцу звездой, расположенной в 4,24 светового года, её угловой диаметр будет равен 67 угловых микросекунд (?as), а значит, даже у нашего лучшего из строящихся телескопов разрешение будет в 74 раза хуже, чем нужно для того, чтобы рассмотреть планету размером с Землю.

Всё, на что мы можем надеяться – единственный насыщенный пиксель, свет которого проникает в окружающие его соседние пиксели, и это на самых передовых камерах с максимальным разрешением. Визуально это станет серьёзным разочарованием для всех, кто надеялся получить красивый вид типа того, что присутствует на иллюстрациях от НАСА.


Экзопланета Кеплер-186f, свойства которой, возможно, похожи на Землю, в представлении художника. Однако такие иллюстрации являются умозрительными, и будущие данные не дадут нам видов, похожих на этот.

Однако тут плохие новости кончаются. Используя коронограф, мы сможем заблокировать свет от родительской звезды и наблюдать свет непосредственно от самой планеты. Конечно, мы получим света на один пиксель, но это не будет неподвижный и неизменный пиксель. Мы сможем отслеживать свет тремя различными способами:

1. В различных цветах, фотометрически, откуда мы узнаем общие оптические свойства любого изображения планеты.
2. Спектроскопически, что позволит нам разбить свет на разные длины волн и искать признаки наличия определённых молекул и атомов на поверхности и в атмосфере.
3. Замеряя изменения двух предыдущих пунктов с вращением планеты вокруг оси и по орбите, мы получим временные характристики.

Всего лишь из одного светового пикселя мы сможем определить огромное количество свойств любого изучаемого мира. И вот некоторые из них.


Экзопланета с вращающейся вокруг неё луной

Измеряя отражение от планеты света во время её движения по орбите, мы получим информацию о многих явлениях, некоторые из которых мы наблюдаем на Земле. Если у разных полушарий мира будет разное альбедо (отражательная способность), и мир будет вращаться любым образом, кроме как будучи приливно соединённым со звездой в соотношении 1:1, мы сможем увидеть периодический сигнал, появляющийся, когда планета поворачивается к своей звезде другой стороной.

У мира с континентами и океанами сигнал будет повышаться и понижаться на различных частотах, соответствуя тем его частям, которые будут отражать прямой свет в сторону наших телескопов.


В данных, собранных и выпущенных космическим телескопом TESS, предназначенным для открытия экзопланет транзитным методом, уже открыты сотни кандидатов в планеты. На картинке показаны три наиболее интересные, и за ними появится ещё множество.

А если на планете будут облака и атмосферные феномены, блокирующие и отражающие свет? Тогда изменяющаяся погода позволит нам извлечь этот сигнал, когда мы будем наблюдать, как облачный покров меняется со временем, накладывая своё действие на другие эффекты. У облаков также будут определённые молекулярные признаки, которые покажут, состоят они из серной кислоты, водяных капель, метана или другого летучего материала.

Благодаря возможностям прямого наблюдения мы сможем прямо измерять изменения погоды на планете, находящейся за пределами нашей Солнечной системы.


Композитные изображения «Голубого шарика» 2001-2002 года, созданные спектрорадиометром MODIS.

Жизнь обнаружить будет труднее, но если есть экзопланета, на которой существует жизнь, похожая на земную, мы увидим на ней некоторые специфические сезонные изменения. Вращение Земли вокруг оси означает, что зимой, когда наше полушарие отворачивается от Солнца, полярные шапки увеличиваются, отражательная способность континентов, покрывающихся снегом до более низких широт, увеличивается, и мир становится менее зелёным.

Летом, наоборот, наше полушарие смотрит на Солнце. Полярные шапки уменьшаются, континенты приобретают зелёный цвет, доминирующий у растительной жизни нашей планеты. Похожие сезонные изменения повлияют на свет любой фотографируемой нами экзопланеты, что позволит нам судить не только о сезонных изменениях, но и о процентных изменениях распределения цвета и отражательной способности.


На этом снимке Титана метановый туман и атмосфера показаны полупрозрачно-голубым, и видны черты поверхности. Для создания изображения использовались снимки в ультрафиолете, оптическом и инфракрасном диапазонах.

Также должны проявиться планетные и орбитальные характеристики. Если только мы не наблюдаем транзит планеты с нашей точки зрения, когда планета проходит ровно между нами и своей звездой, мы не узнаем ориентацию её орбиты. То есть, мы не узнаем её массы; нам будет известна только комбинация массы и угла наклона орбиты.

Но если мы измерим изменение её света со временем, мы сможем вычислить, как должны выглядеть её фазы, и как они меняются. Эту информацию мы сможем использовать для определения её массы и орбитального наклона, а также наличия или отсутствия крупных лун. Даже из единственного пикселя, вычтя изменения света, касающиеся цвета, покрытия облаками, вращения и сезонных изменений, мы сможем получить всю эту информацию.


Фазы Венеры, видимые с земли, аналогичны фазам экзопланеты, вращающейся вокруг своей звезды. Если её «ночная» сторона будет иметь определённые температурные свойства, к которым чувствителен телескоп Джеймса Уэбба, мы сможем определить, есть ли на ней атмосфера, а также её составляющие.

Наконец, прямое наблюдение и спектроскопический анализ должны показать нам составляющие атмосферы, какие в ней есть молекулы и атомы.

Это важно по множеству причин. Да, очевидная большая надежда – найти атмосферу, богатую кислородом, возможно, даже вместе с инертной, но распространённой молекулой азота, что даст истинно земную атмосферу. Но мы сможем пойти и дальше, поискав наличие воды. Можно поискать и другие признаки потенциальной жизни, типа метана и двуокиси углерода. Ещё одним интересным последствием, недооцениваемым сегодня, будет возможность напрямую рассмотреть сверхземли. У каких имеются гигантские покровы из водорода и гелия, а у каких их нет?


Классификация планет – скалистые, нептуноподобные, юпитероподобные, звёздные. Граница между землеподобными и нептуноподобными планетами размыта.

Если мы захотим по-настоящему увидеть подробности на планете, расположенной за пределами нашей Солнечной системы, нам понадобится телескоп в сотни раз больше, чем крупнейшие из запланированных: диаметром в несколько километров. А до того дня мы можем ждать получения информации по множеству важных вещей, связанных с ближайшими землеподобными мирами в нашей галактике. TESS уже находит новые планеты. Джеймс Вебб достроен, и ждёт запуска в 2021. Три 30-метровых телескопа строятся, и первый (ГМТ) должен запуститься в 2024, а крупнейший (ELT) — увидеть первый свет в 2025. Через десять лет у нас будут непосредственные (оптические или инфракрасные) данные по десяткам миров, размером с Землю или чуть побольше, расположенных вне нашей Солнечной системы.

Единственный пиксель может казаться чем-то незначительным, но задумайтесь о том, сколько всего мы можем узнать – о сезонах, погоде, континентах, океанах, полярных шапках, даже жизни – и вы будете поражены.

Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте также: почему мы не чувствуем, как Земля летит сквозь космос?; как природа опровергает математику; новые аргументы в пользу Девятой планеты; как стать цифровым кочевником; самые спорные заявления, сделанные отцом ДНК; и другие статьи, в т.ч. серию "спросите Итана".

Проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, и т.д.). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!

Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!