Астрономы разработали концепцию, которая может открыть новый способ прямого наблюдения небольших каменистых планет у других звёзд. Идея заключается в использовании огромного космического экрана — звёздной тени, или starshade, — который будет находиться между наземным телескопом и исследуемой звездой. Экран должен закрывать ослепительно яркую звезду и оставлять телескопу возможность регистрировать значительно более слабый свет, отражённый от планет.
Концепция получила название Hybrid Observatory for Earth-like Exoplanets, или HOEE — гибридная обсерватория для изучения экзопланет, похожих на Землю. В отличие от традиционных космических телескопов, вся система не должна находиться на орбите. Предполагается объединить космический аппарат со звёздной тенью и гигантский телескоп на поверхности Земли.
В предлагаемой конфигурации космический экран будет двигаться по специальной орбите примерно в 175 тысячах километров от Земли. Он должен точно располагаться на линии между наземным телескопом и выбранной звездой, создавая в месте расположения обсерватории область тени. В качестве одного из первых телескопов для такой системы рассматривается Extremely Large Telescope (ELT) Европейской южной обсерватории, строительство которого ведётся в Чили.
Главная научная цель проекта — получить прямые изображения небольших каменистых миров и исследовать их спектры. В перспективе это позволит искать признаки воды, кислорода и других химических особенностей атмосфер планет, находящихся относительно недалеко от Солнечной системы. Однако пока HOEE остаётся концепцией: для её реализации предстоит решить сложные инженерные задачи, связанные с созданием, запуском и точным управлением гигантской космической конструкцией.
Почему Землю так трудно увидеть рядом с другой звездой
Главная проблема прямого наблюдения экзопланет заключается не столько в огромном расстоянии до них, сколько в колоссальной разнице яркости между планетой и её звездой. Каменистая планета земного типа сама практически не излучает видимый свет. Телескоп регистрирует главным образом свет звезды, отражённый поверхностью и облаками планеты.
Звезда при этом является чрезвычайно мощным источником света. Для оптических наблюдений планета земного типа может быть примерно в миллиард раз слабее своей родительской звезды. Даже если телескоп способен собрать достаточно фотонов от самой планеты, они теряются в значительно более ярком свете звезды.
Ситуацию можно сравнить с попыткой разглядеть слабый отражённый свет рядом с мощным прожектором. Простое увеличение диаметра телескопа решает проблему лишь частично. Необходимо каким-либо образом подавить свет звезды, не закрыв при этом саму планету.
Большой телескоп сам по себе проблему не устраняет
Современные и будущие наземные телескопы обладают огромными главными зеркалами и способны получать чрезвычайно подробные изображения. Однако даже телескоп с зеркалом диаметром десятки метров не может просто «приблизить» землеподобную экзопланету до уровня, при котором её легко отделить от звезды.
На больших расстояниях планета и звезда остаются очень близкими друг к другу на небесной сфере. Свет звезды рассеивается внутри оптической системы и атмосферы Земли, создавая дополнительный фон. Поэтому необходим специальный способ подавления звёздного света.
Именно эту задачу и должен решать космический экран. Причём в предлагаемой архитектуре он будет работать до того, как свет звезды попадёт в земную атмосферу.
Что такое звёздная тень
Космический экран представляет собой крупную конструкцию, предназначенную для блокирования света конкретной звезды. Он не является обычным круглым экраном. Для снижения дифракционных эффектов предполагается использовать форму с центральным диском и длинными лепестками, расходящимися по краям.
Космический аппарат будет находиться на огромном расстоянии от наземного телескопа. Когда космический экран окажется точно на линии наблюдения, он закроет звезду с точки зрения телескопа. При этом планета, находящаяся на некотором угловом расстоянии от звезды, останется вне тени и её свет сможет попасть в телескоп.
В результате создаётся искусственное солнечное затмение, только происходить оно будет не на поверхности Земли, а в геометрии наблюдения далёкой звёздной системы.
Почему экран делают с лепестками
Обычный непрозрачный диск не является идеальным решением. Световые волны огибают края объектов, и возникает дифракция. Даже если звезда полностью геометрически закрыта, её свет может частично попасть в область за экраном.
Форма с лепестками позволяет оптимизировать дифракционную картину. Благодаря этому можно создать область с очень низким уровнем остаточного звёздного света непосредственно за космическим экраном.
В текущей концепции рассматривается экран с центральным диском диаметром около 50 метров и 48 лепестками длиной примерно 24,5 метра каждый. Это означает, что конечный аппарат будет иметь размеры порядка сотни метров. Конкретная конструкция ещё не утверждена, поэтому эти параметры следует рассматривать как элементы предлагаемого проекта, а не характеристики готового космического аппарата.
HOEE объединяет космический аппарат и наземный телескоп
Идея HOEE необычна тем, что её основные оптические элементы находятся в разных местах. Огромный телескоп остаётся на Земле, а звёздная тень располагается в космосе.
Это позволяет использовать преимущества сразу двух подходов. Наземные телескопы могут иметь значительно большие зеркала, чем реально возможно разместить на современных космических аппаратах. Земная обсерватория также не должна запускаться целиком на ракете и может обслуживаться и модернизироваться на протяжении своей эксплуатации.
Космической части системы, напротив, требуется не зеркало, способное самостоятельно собирать свет, а относительно пассивный экран. Его основная задача — создать правильную тень в нужном месте.
Именно поэтому концепцию называют гибридной обсерваторией: космический элемент обеспечивает подавление света звезды, а наземный телескоп выполняет основную работу по сбору и анализу света.
Почему для проекта рассматривают гигантские телескопы
Чем больше зеркало телескопа, тем больше света оно способно собрать и тем выше его угловое разрешение. Для исследования слабых каменистых экзопланет нужны оба параметра.
В концепции HOEE рассматриваются крупнейшие оптические телескопы нового поколения. В частности, речь идёт об Extremely Large Telescope диаметром 39 метров, а также о других телескопах класса GMT и TMT.
ELT строится на горе Серро-Армасонес в Чили. Его научный первый свет ожидается в конце текущего десятилетия. Использование уже создаваемой гигантской наземной инфраструктуры является одним из ключевых преимуществ гибридной схемы.
Как должна работать система наблюдения
Для каждого наблюдения необходимо выполнить сложную геометрическую задачу. Космический экран должен оказаться между Землёй и целевой звездой с очень высокой точностью. При этом телескоп должен одновременно быть направлен на ту же систему.
Космический аппарат не может просто зависнуть в одной точке относительно Земли и ждать. Земля вращается, сама система движется по орбите вокруг Солнца, а положение звезды на небе постоянно меняется. Поэтому космический экран должен находиться на специально подобранной орбите и