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 выполнять коррекции своего движения.
В концепции рассматривается специальная астростационарная орбита, которая позволит согласовать движение космического аппарата с вращением Земли. Для удержания нужного положения предполагается использовать химическую тягу, а для перехода от одной цели к другой — электрореактивную двигательную систему.
Точность позиционирования становится критической
Космический экран должен закрывать звезду, но одновременно не препятствовать свету от планеты. Это требует очень точного взаимного позиционирования космического аппарата и телескопа.
В предлагаемом проекте рассматривается возможность поддерживать положение космического экрана с точностью порядка нескольких метров. В опубликованном описании концепции указывается способность перестраивать положение с точностью около 6 метров.
На земных расстояниях несколько метров могут казаться незначительными. Но здесь речь идёт о взаимном расположении двух объектов, разделённых примерно 175 тысячами километров. Поэтому управление аппаратом и определение его положения становятся одной из центральных инженерных задач всей системы.
Почему не поставить космический экран рядом с телескопом
На первый взгляд может показаться, что космический экран должен находиться непосредственно перед телескопом. Однако для создания достаточно большой тени на поверхности Земли необходимо учитывать геометрию распространения света и дифракцию.
Чем дальше космический экран находится от телескопа, тем более подходящую область тени можно сформировать за экраном при заданных размерах конструкции. Одновременно увеличение расстояния требует более точного управления и усложняет перемещение аппарата между разными целями.
Поэтому проект предполагает очень большое расстояние между космическим экраном и наземной обсерваторией. Именно сочетание размеров космического экрана и дистанции позволяет сформировать область подавленного звёздного света в нужном месте.
Какие экзопланеты сможет искать HOEE
Основная цель концепции — небольшие каменистые планеты, находящиеся в обитаемых зонах относительно близких звёзд. Под обитаемой зоной понимается диапазон расстояний от звезды, при котором при подходящих атмосферных условиях на поверхности планеты может существовать жидкая вода.
Важно, что нахождение планеты в обитаемой зоне само по себе не доказывает наличие жизни. Это лишь одно из условий, при которых землеподобная среда теоретически может существовать. Реальные свойства атмосферы, давление, состав, наличие магнитного поля, геологическая активность и множество других факторов также имеют значение.
HOEE должен дать возможность не только обнаружить такие планеты, но и изучать свет, отражённый ими. Именно поэтому концепция представляет интерес для поиска потенциально обитаемых миров.
Почему предпочтительны ближайшие звёзды
Чем дальше находится планетная система, тем слабее становится принимаемый от неё свет. Кроме того, угловое расстояние между планетой и звездой уменьшается при увеличении расстояния до системы.
Поэтому для прямой съёмки особенно интересны относительно близкие звёзды. В рамках текущей концепции рассматриваются планетные системы на расстоянии примерно до 20 световых лет от Земли.
Это сравнительно небольшой участок Галактики. Но даже в таком радиусе находятся многочисленные звёзды, включая светила, которые могут иметь каменистые планеты.
Чем прямое изображение отличается от обычного обнаружения экзопланет
Большинство известных экзопланет были обнаружены не по прямым изображениям. Астрономы обычно фиксируют влияние планеты на её родительскую звезду.
Транзитный метод позволяет обнаружить периодические уменьшения яркости звезды, когда планета проходит перед её диском. Метод лучевых скоростей основан на небольших изменениях движения звезды под воздействием гравитации планеты.
Оба способа чрезвычайно эффективны, но они не дают обычного изображения самой планеты. Исследователь получает информацию о её существовании и некоторых физических параметрах через влияние на звезду.
Прямое изображение даёт другой набор данных
При прямом наблюдении регистрируется свет, непосредственно связанный с планетой. Для каменистого мира вокруг звезды солнечного типа в оптическом диапазоне это главным образом отражённый звёздный свет.
Из такого света можно извлекать информацию о цвете и спектре планеты, а при достаточной чувствительности — искать особенности, связанные с её атмосферой и поверхностью.
NASA указывает, что прямое наблюдение позволяет в принципе получать сведения о размере, орбите, альбедо, спектре поверхности и атмосферы экзопланеты. Именно поэтому подавление света звезды является ключевой задачей для будущих исследований небольших планет.
Почему JWST недостаточно для получения изображения Земли у другой звезды
Космический телескоп James Webb Space Telescope является одним из наиболее мощных астрономических инструментов, когда-либо созданных человеком. Он способен напрямую наблюдать некоторые экзопланеты и получать их спектры. Однако землеподобные планеты около звёзд солнечного типа представляют для него гораздо более сложную задачу.
Проблема заключается не просто в чувствительности телескопа. Даже очень чувствительный инструмент должен одновременно различать слабый источник, расположенный чрезвычайно близко к гораздо более яркой звезде.
У JWST есть коронографы, позволяющие блокировать свет некоторых звёзд и наблюдать расположенные рядом объекты. Но возможности такого подхода ограничены характеристиками телескопа, длиной волны и угловым разделением объектов.
Roman также не решает всю задачу
Космический телескоп Nancy Grace Roman будет оснащён коронографом для демонстрации технологий прямого изображения экзопланет. Однако и эта система предназначена прежде всего для более крупных и ярких планет и не является инструментом, который сможет непосредственно получать изображения землеподобных планет у ближайших звёзд во всех необходимых условиях.
Именно поэтому HOEE предлагает не модернизировать ещё один космический телескоп, а использовать совершенно другую архитектуру: убрать основной источник помехи ещё до того, как его свет попадёт в земную атмосферу.
Главное преимущество космического экрана перед внутренним коронографом
Коронограф располагается внутри самого телескопа. Он блокирует свет звезды уже после того, как этот свет попал в оптическую систему.
Космический экран действует иначе. Он находится далеко перед телескопом и блокирует звёздный свет ещё до попадания в атмосферу Земли и оптическую систему.
Это принципиальная разница. Если подавить звёздный свет заранее, телескоп получает значительно более чистый фон. Кроме того, внешняя звёздная тень не должна находиться внутри оптической системы, поэтому требования к внутренней оптике и обработке паразитного света отличаются от требований к коронографу.
Но внешняя звёздная тень создаёт другую проблему
То, что космический экран упрощает подавление света, одновременно усложняет механику миссии. Космический экран должен быть огромным, лёгким, управляемым и достаточно жёстким, чтобы сохранять необходимую форму.
Кроме того, его нужно развернуть после запуска и затем точно позиционировать относительно наземного телескопа. Между двумя объектами не существует жёсткой механической связи, поэтому система должна постоянно контролировать их положение.
Именно поэтому космический экран нельзя считать простой альтернативой коронографу. Он переносит основную сложность из области высокоточной внутренней оптики в область космической механики, развёртывания и управления.
Какой размер потребуется для космической звёздной тени
Размер предлагаемой конструкции впечатляет. В одном из вариантов HOEE рассматривается космический экран класса около 100 метров. В более конкретном описании текущей концепции упоминается центральный диск диаметром 50 метров и 48 лепестков длиной по 24,5 метра.
Для сравнения, это сопоставимо с длиной большого городского квартала. Но при этом конструкцию необходимо вывести в космос, развернуть и обеспечить её работу в условиях вакуума, перепадов температуры и постоянного воздействия солнечного излучения.
Обычная жёсткая конструкция такого размера была бы слишком тяжёлой для экономически реалистичного запуска. Поэтому разработчики рассматривают принципиально иной подход.
Конструкцию хотят сделать сверхлёгкой
В ранних вариантах концепции рассматривался космический экран диаметром около 100 метров. Основная задача последующих исследований заключалась в существенном уменьшении его массы по сравнению с традиционными крупными разворачиваемыми конструкциями.
Одним из вариантов является использование тонких мембран и надувной или частично надувной конструкции. После запуска такая система может занимать значительно меньший объём, а затем разворачиваться в космосе.
В текущем варианте проекта указывается целевая масса всего космического экрана менее 1500 килограммов. Это именно проектный ориентир, а не характеристика существующего аппарата.
Что произойдёт после блокировки звезды
Когда космический экран будет правильно расположен, прямой свет звезды окажется подавлен. В телескоп при этом продолжит поступать свет от объектов, находящихся вне тени.
Экзопланета, находящаяся рядом со звездой на небесной сфере, будет отражать свет своей звезды. Если её угловое положение относительно звезды позволяет ей находиться за пределами области подавления, этот слабый сигнал сможет попасть в телескоп.
Вместо яркой звезды на изображении появится гораздо более слабый объект. Затем его свет можно будет анализировать как отдельный источник.
Телескоп сможет изучать не только одну планету
Одна из особенностей HOEE заключается в возможности наблюдать целые планетные системы. При достаточном угловом разрешении разные планеты одной системы можно будет отделить друг от друга и от родительской звезды.
Это особенно важно для систем, где обнаружено несколько планет. Сейчас многие сведения о таких объектах получают косвенно, и отделить свет одной планеты от другой крайне сложно.
Прямое изображение потенциально позволит определить взаимное расположение планет, следить за изменением их положения по орбите и получать отдельные спектры разных миров.
Спектр планеты может рассказать о её атмосфере
После обнаружения планеты следующий шаг — изучение её света на разных длинах волн. Атмосферные газы поглощают и рассеивают излучение определённым образом, поэтому в спектре могут появляться характерные особенности.
Так можно искать воду, кислород и другие вещества. Однако обнаружение отдельного химического соединения ещё не является доказательством существования жизни. Для интерпретации таких наблюдений необходимо учитывать физику атмосферы, геологические процессы и возможные небиологические источники соответствующих веществ.
Именно поэтому прямое изображение и спектроскопия должны работать вместе: сначала необходимо отделить свет планеты от света звезды, а затем исследовать его спектральные характеристики.
Почему кислород особенно интересен
Кислород является одним из наиболее интересных потенциальных биомаркеров землеподобной планеты, поскольку на Земле его значительное количество связано с деятельностью фотосинтезирующих организмов.
Но кислород не является однозначным доказательством жизни. Определённые абиотические процессы также способны приводить к его накоплению. Поэтому поиск потенциальных биосигнатур должен основываться на совокупности признаков, а не на одном химическом компоненте.
Концепция HOEE предусматривает получение спектров достаточно высокого качества, чтобы искать такие особенности. NASA указывает, что широкополосная спектроскопия является одним из главных научных преимуществ проекта.
Необычная идея проекта — искать планеты возле активных молодых звёзд
В рамках научной программы HOEE рассматривается возможность поиска каменистых планет около звёзд спектральных классов F, G и K. К ним относятся звёзды, физические характеристики которых находятся в диапазоне от более горячих и массивных F-звёзд до более холодных K-звёзд, включая солнечный класс G.
Особое внимание предлагается уделять молодым активным звёздам. У некоторых молодых звёзд происходят мощные вспышки, сопровождающиеся усилением высокоэнергичного излучения и воздействием на окружающее пространство.
Если у такой звезды есть каменистая планета, её атмосфера может взаимодействовать с потоком энергии от звезды. В определённых условиях это способно приводить к появлению полярных сияний.
Полярные сияния могут стать дополнительным источником информации
На Земле полярные сияния возникают, когда заряженные частицы и электромагнитное излучение от Солнца взаимодействуют с верхними слоями атмосферы и магнитным полем планеты.
На других планетах подобные процессы могут проявляться иначе, но некоторые их спектральные особенности потенциально можно обнаружить на межзвёздных расстояниях.
Команда HOEE рассматривает поиск спектральных линий красного и зелёного свечения, связанных с атмосферными процессами. Такие наблюдения могут дать дополнительные сведения о наличии в атмосфере азота и кислорода и о взаимодействии планеты с активностью её звезды.
Это направление не следует трактовать как готовый способ обнаружения жизни. Полярное сияние само по себе не является биосигнатурой. Оно лишь может предоставить дополнительную информацию об атмосфере и взаимодействии планеты со звездой.
Почему атмосфера Земли одновременно мешает и помогает
Наземная астрономия сталкивается с фундаментальной проблемой: прежде чем свет далёкой планеты попадёт в телескоп, он должен пройти через земную атмосферу.
Атмосфера рассеивает и поглощает часть света, а её постоянное движение ухудшает угловое разрешение. Современные телескопы компенсируют значительную часть этих эффектов с помощью адаптивной оптики, но полностью устранить атмосферное влияние невозможно.
Для наблюдения очень слабой планеты рядом с яркой звездой даже небольшие остаточные эффекты могут иметь большое значение.
Почему авторы всё же считают наземный телескоп выгодным
Главное преимущество Земли заключается в возможности строить телескопы значительно больших размеров, чем современные космические аппараты способны вывести на орбиту. Зеркало диаметром десятки метров обеспечивает огромную светособирающую площадь.
Если космический экран действительно сможет подавить основной звёздный фон до попадания света в атмосферу, наземный телескоп получит шанс использовать свой огромный размер именно там, где он наиболее полезен — при сборе слабого сигнала от планеты.
Моделирование HOEE учитывает атмосферные эффекты и работу адаптивной оптики ELT. Авторы исследования считают, что при соответствующих условиях система сможет сохранять достаточное качество изображения для прямого наблюдения небольших планет.
Насколько быстро можно будет обнаружить землеподобную планету
В проектных расчётах приводятся очень оптимистичные показатели чувствительности. В частности, ранняя версия концепции оценивала возможность получить изображение планеты земного типа на расстоянии около 5 парсеков примерно за одну минуту.
Пять парсеков — это около 16,3 светового года. Это расстояние находится внутри рассматриваемой области ближайших звёзд.
Однако такие значения являются результатом моделирования и относятся к конкретным предполагаемым характеристикам системы. Они не означают, что реальная будущая обсерватория гарантированно будет получать изображения любой землеподобной планеты за одну минуту.
Фактическое время наблюдения будет зависеть от яркости звезды, отражательной способности планеты, её расстояния от звезды, положения относительно космического экрана, состояния атмосферы, характеристик телескопа и других факторов.
Почему проект пока нельзя считать готовой миссией
HOEE находится на стадии разработки концепции и технологических исследований. Это не утверждённая космическая миссия с готовым аппаратом, датой запуска и окончательной конфигурацией.
Проект получал финансирование в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts. NASA указывает, что HOEE уже трижды получал награды NIAC, включая исследования Phase I в 2022 и 2025 годах. Следующим этапом команда рассчитывает получить финансирование Phase B для дальнейшей проработки.
Поэтому любые заявления о том, что NASA уже создаёт гигантскую звёздную тень для фотографирования Земель у других звёзд, были бы преждевременными. Сейчас речь идёт о разработке и проверке концепции, которая в случае успешного прохождения последующих этапов может стать основой будущей обсерватории.
Самая сложная часть — не сам принцип, а инженерная реализация
Физический принцип космического экрана относительно прост: закрыть звезду экраном и оставить планету видимой для телескопа. Но реализовать этот принцип в космосе на масштабе десятков метров значительно сложнее.
Конструкция должна быть очень лёгкой, но одновременно сохранять заданную геометрию. Она должна пережить запуск или быть собрана после него. Необходимо обеспечить раскрытие без повреждений, устойчивость к нагреву и охлаждению, работу двигателей и высокоточную навигацию.
Кроме того, аппарат должен многократно менять положение, чтобы наблюдать разные звёздные системы. Чем больше целей планируется исследовать, тем важнее становится расход топлива и время перехода между ними.
Как предполагается перемещать космический экран между звёздами
Космический экран не сможет одновременно закрывать несколько разных звёзд. Для каждой цели необходимо подобрать новое положение аппарата относительно наземного телескопа.
Для удержания положения предлагается использовать химические двигатели, а для более масштабных перестроений — солнечную электрическую тягу. Такая комбинация позволяет разделить задачи: один тип двигательной системы обеспечивает необходимую манёвренность и коррекции, другой предназначен для более экономичных длительных перемещений.
Конкретная двигательная установка пока не определена. В актуальном описании концепции также рассматривается использование микродвигателей для очень точных коррекций положения космического экрана. В качестве возможного рабочего тела упоминается нагретый водород.
Что будет видно на изображении
Важно правильно представить возможности предлагаемой системы. HOEE не должна превратить далёкую Землю в подробную фотографию, на которой можно будет рассмотреть океаны, материки и города.
Речь идёт о прямом изображении планеты как отдельного слабого источника света и о получении достаточно качественного сигнала для фотометрии и спектроскопии.
Тем не менее по мере накопления наблюдений можно будет изучать изменения яркости, цвет и спектральные особенности планеты. В некоторых случаях такие данные способны дать сведения об облаках, атмосфере, сезонных изменениях и свойствах поверхности.
Можно будет отделять планеты друг от друга
Высокое угловое разрешение гигантского наземного телескопа является важной частью концепции. Если несколько планет находятся на достаточно разных угловых расстояниях от звезды, их изображения можно будет разделить.
Это принципиально отличается от наблюдения всей планетной системы как единого источника света. Для исследования конкретного мира необходимо отделить его свет от света остальных планет и звезды.
Именно сочетание большой апертуры ELT и внешнего подавления звёздного света должно обеспечить такое разделение.
Какие научные вопросы сможет решать такая обсерватория
Прямое наблюдение землеподобных экзопланет позволит перейти от вопроса «существует ли планета?» к более содержательным вопросам о её физическом состоянии.
Можно будет исследовать атмосферный состав, отражательную способность, орбитальное движение и взаимодействие планеты с родительской звездой. При наличии достаточного качества данных появится возможность сравнивать разные каменистые миры между собой.
Особенно важно, что наблюдения будут проводиться в оптическом диапазоне. Именно в отражённом видимом свете планеты земного типа могут нести информацию о поверхности, облаках и атмосфере.
Главный вопрос — насколько распространены условия, похожие на земные
Сегодня известно огромное количество экзопланет, но информация о большинстве из них ограничивается относительно небольшим числом измеряемых параметров. Для многих миров мы знаем радиус, массу или период обращения, но не можем получить прямое изображение поверхности или полноценный спектр атмосферы.
Обсерватория, способная систематически исследовать ближайшие каменистые планеты, могла бы изменить ситуацию. Вместо изучения отдельных необычных объектов астрономы получили бы возможность сравнивать целую выборку планет.
Тогда можно было бы исследовать, насколько часто встречаются атмосферы с водой, кислородом и другими интересующими веществами, а также насколько распространены планеты, находящиеся в условиях, хотя бы частично напоминающих земные.
Потенциальная стоимость проекта оценивается примерно в миллиард долларов
Предварительная оценка стоимости HOEE находится примерно на уровне одного миллиарда долларов. Это ориентировочная величина для концепции, а не утверждённый бюджет будущей миссии.
Большая часть сложности связана с разработкой самого космического экрана. Необходимо создать конструкцию огромного размера при очень низкой массе и доказать, что она сможет сохранить форму и управляемость в космосе.
Снижение массы имеет прямое значение для стоимости запуска и количества доступного топлива. Чем тяжелее аппарат, тем сложнее его вывести на требуемую орбиту и тем больше ресурсов потребуется для последующих манёвров.
Технология космического экрана уже давно рассматривается NASA
Идея внешней звёздной тени не появилась вместе с нынешним проектом HOEE. NASA и другие исследовательские организации изучают подобные системы уже много лет.
В классическом варианте космический экран должен работать совместно с космическим телескопом. Такой аппарат располагается далеко от телескопа и закрывает свет целевой звезды, позволяя телескопу наблюдать расположенные рядом планеты.
NASA продолжает отдельные технологические программы, посвящённые космическому экрану. Их цель — довести ключевые технологии до уровня, при котором они смогут использоваться в будущей миссии.
HOEE меняет архитектуру системы
Главное отличие нынешней идеи состоит в использовании огромного наземного телескопа вместо отдельного космического телескопа. Это позволяет отказаться от необходимости выводить на орбиту гигантское зеркало.
Вместо этого в космос отправляется только элемент, который блокирует свет звезды. Наземная часть системы использует инфраструктуру телескопа, который может быть значительно больше большинства существующих космических обсерваторий.
Такой подход переносит значительную часть затрат и инженерных требований с космического зеркала на лёгкую внешнюю конструкцию и системы её управления.
Какие трудности могут остановить проект
Самая очевидная проблема — масштаб. Космический экран размером около 100 метров должен быть запущен компактно, а затем надёжно развернуться в космосе.
Вторая проблема — форма. Дифракция света чувствительна к геометрии краёв экрана. Если конструкция будет деформироваться сильнее допустимого, качество подавления звёздного света ухудшится.
Третья проблема — навигация. Два независимых объекта, находящихся на расстоянии около 175 тысяч километров, должны сохранять очень точное взаимное положение.
Наконец, есть вопрос оперативной эффективности. Если переход космического экрана от одной цели к другой будет занимать слишком много времени или требовать слишком большого количества топлива, число доступных научных наблюдений окажется ограниченным.
Необходимо доказать работоспособность всей цепочки
Недостаточно показать, что отдельный космический экран способен блокировать свет в лаборатории. Необходимо продемонстрировать, что конструкция может быть запущена, развернута, стабилизирована, точно наведена на цель и синхронизирована с наземным телескопом.
После этого ещё потребуется подтвердить, что реальные атмосферные условия, оптика телескопа и остаточный паразитный свет не уничтожают слабый сигнал от планеты.
Именно поэтому нынешний этап исследований имеет технологический характер. Задача заключается в том, чтобы превратить физически возможную идею в систему, которую действительно можно построить и эксплуатировать.
Что может измениться с появлением такой обсерватории
Если HOEE будет реализована в предлагаемом виде, астрономы получат принципиально новый инструмент для исследования ближайших планетных систем.
Вместо того чтобы только регистрировать косвенное влияние планеты на звезду, можно будет непосредственно получать свет от самой планеты. Это даст доступ к информации, которая сегодня для большинства небольших экзопланет недоступна.
Особенно важна возможность наблюдать в оптическом диапазоне. Отражённый свет землеподобной планеты может содержать информацию не только об атмосфере, но и о её поверхности и облачном покрове.
При этом нельзя заранее утверждать, что будущая система обнаружит жизнь. Даже если она сможет зарегистрировать кислород, воду или другие потенциально интересные вещества, их происхождение придётся исследовать в контексте всей планетной системы.
От идеи искусственного затмения до поиска других Земель
Концепция HOEE основана на относительно простой идее: вместо того чтобы пытаться сделать телескоп настолько совершенным, чтобы он самостоятельно отделял чрезвычайно слабый свет планеты от света звезды, можно физически закрыть саму звезду до того, как её свет попадёт в телескоп.
Для этого в космосе предлагается разместить гигантскую звёздную тень. Она должна находиться примерно в 175 тысячах километров от Земли и точно выстраиваться относительно наземного телескопа и выбранной звезды. В качестве одного из возможных инструментов рассматривается 39-метровый Extremely Large Telescope.
При успешной реализации такой системы можно будет исследовать каменистые планеты в ближайших к Солнечной системе звёздных системах, получать их прямые изображения и анализировать отражённый свет. Предварительные модели показывают возможность обнаружения небольших планет и получения спектров, содержащих сведения о воде, кислороде и других атмосферных компонентах.
Но до практической обсерватории ещё далеко. Сейчас HOEE остаётся концепцией, проходящей технологическую проработку в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts. Главные препятствия связаны с созданием сверхлёгкой конструкции огромного размера, её развёртыванием и точным управлением на расстоянии в сотни тысяч километров от наземного телескопа.
Если эти задачи удастся решить, необычная связка космического экрана и земного телескопа позволит использовать преимущества обоих подходов. Космос будет отвечать за подавление света звезды, а Земля — за сбор и анализ слабого сигнала от планеты. Именно эта комбинация может дать астрономам возможность впервые систематически получать прямые оптические изображения небольших каменистых миров, находящихся у ближайших звёзд.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
