Хабрахабр

[Перевод] Спросите Итана: как будет выглядеть наша первая прямая фотография землеподобной экзопланеты?

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

От всего нескольких миров – в основном массивных, с быстрыми, внутренними орбитами, вращающихся вокруг звёзд с небольшой массой – к буквально тысячам планет совершенно разных размеров. За последнее десятилетия, в основном благодаря миссии Кеплер, наши знания касательно планет других звёздных систем чрезвычайно сильно увеличились. 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. Теперь мы знаем, что миры размером с Землю и чуть побольше встречаются чрезвычайно часто. Об этом спрашивает наш читатель:
Как же они будут выглядеть?

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

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.

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

  • Альфа Центавра А, звезда класса G, как Солнца;
  • 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.

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.
Новая 5-зеркальная оптическая система ELT. Световая мощность и угловое разрешение в 0,005" этого телескопа будут лучше, чем у любого другого в истории. Два последних зеркала, М4 и М5, формируют адаптивную оптическую систему, что позволяет получать чрезвычайно резкие изображения на последней фокальной плоскости.

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 (μas), 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. 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.

Визуально это станет серьёзным разочарованием для всех, кто надеялся получить красивый вид типа того, что присутствует на иллюстрациях от НАСА. 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.

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

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

  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

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. Измеряя отражение от планеты света во время её движения по орбите, мы получим информацию о многих явлениях, некоторые из которых мы наблюдаем на Земле.

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.

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

Тогда изменяющаяся погода позволит нам извлечь этот сигнал, когда мы будем наблюдать, как облачный покров меняется со временем, накладывая своё действие на другие эффекты. А если на планете будут облака и атмосферные феномены, блокирующие и отражающие свет? 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.

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. Жизнь обнаружить будет труднее, но если есть экзопланета, на которой существует жизнь, похожая на земную, мы увидим на ней некоторые специфические сезонные изменения.

Полярные шапки уменьшаются, континенты приобретают зелёный цвет, доминирующий у растительной жизни нашей планеты. Летом, наоборот, наше полушарие смотрит на Солнце. 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.

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

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. Также должны проявиться планетные и орбитальные характеристики. То есть, мы не узнаем её массы; нам будет известна только комбинация массы и угла наклона орбиты.

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

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.
Фазы Венеры, видимые с земли, аналогичны фазам экзопланеты, вращающейся вокруг своей звезды.

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

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

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

А до того дня мы можем ждать получения информации по множеству важных вещей, связанных с ближайшими землеподобными мирами в нашей галактике. 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. Джеймс Вебб достроен, и ждёт запуска в 2021. TESS уже находит новые планеты. 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. Три 30-метровых телескопа строятся, и первый (ГМТ) должен запуститься в 2024, а крупнейший (ELT) — увидеть первый свет в 2025.

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.

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. Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. серию "спросите Итана".

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

Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть