Исследователи из Центра космических полетов имени Годдарда (NASA) вычислили точные оптические параметры для будущего космического телескопа Habitable Worlds Observatory (HWO) — Обсерватории Обитаемых Миров. Благодаря новой симуляционной модели ученые нашли способ искать биомаркеры на экзопланетах без использования сверхдорогой системы криогенного охлаждения, которая в свое время превратила телескоп «Джеймс Уэбб» в финансовую черную дыру.
Для астрономов, мечтающих найти обитаемую экзопланету, нет инструмента желаннее, чем HWO — флагманская миссия NASA, запуск которой намечен на 2040-е годы. Цель телескопа амбициозна: сделать прямые снимки как минимум 25 планет размером с Землю и проанализировать их атмосферы. Но чтобы перейти от красивых концепт-артов к реальным чертежам, инженерам нужны строгие рамки. Главный вопрос, на который предстояло ответить физикам: в каком именно диапазоне должен «смотреть» телескоп?
Казалось бы, ответ давно известен — в инфракрасном. Именно там прячутся самые убедительные биомаркеры: метан (CH4), углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O). Сочетание большого количества метана и CO2 при отсутствии угарного газа — это классическая «прямая улика» астробиологии. Метан быстро разрушается под действием света, и если он постоянно присутствует в атмосфере, значит, на планете есть непрерывный источник его пополнения (например, активная биосфера).
Но дальше уже начинается жестокая физика. Если вы хотите хорошо видеть глубоко в инфракрасном спектре, ваш телескоп должен быть ледяным. Иначе тепловое излучение от самой аппаратуры начнет фонить и засветит сверхчувствительную матрицу — это все равно что пытаться разглядеть звезды ясным днем. Великий телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) решил эту проблему с помощью массивной и невероятно сложной системы криогенного охлаждения. Побочный эффект? Годы задержек запуска и раздутый почти до 10 миллиардов долларов бюджет.
Создатели HWO хотят избежать судьбы «Уэбба» и отказаться от массивного криокулера. Их цель — заставить коронограф телескопа (сложнейший инструмент, блокирующий свет материнской звезды, чтобы увидеть тусклую планету рядом с ней) работать при температурах, близких к комнатным. Но возникла проблема: в «теплом» ближнем инфракрасном диапазоне спектральные следы метана и углекислого газа накладываются друг на друга. Метан попросту «засвечивает» те участки спектра, где CO2 был бы отлично виден.
Чтобы распутать этот спектральный клубок, команда ученых под руководством Селесты Хэги (Celeste Hagee) и Наташи Латуф (Natasha Latouf) использовала статистическую модель с идеальным для поп-культуры названием BARBIE (Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification of exoEarths — Байесовский анализ для удаленной идентификации биосигнатур на экзоземлях).
В своем новом исследовании (уже четвертом в серии, отсюда и техническое название статьи BARBIE IV) ученые заставили алгоритм симулировать атмосферы планет на разных стадиях эволюции. «Барби» примерила на себя несколько сценариев: молодая Земля (архейский эон), Земля среднего возраста (протерозой), современная Земля, а также горячая и мертвая Венера.
Задача состояла в том, чтобы найти идеальную длину волны — границу, до которой телескоп будет хорошо видеть газы, но при этом его собственное тепло еще не начнет мешать наблюдениям.
Исследователи нашли ту самую «золотую середину». Они установили жесткий верхний предел чувствительности инфракрасного датчика HWO: 1,68 микрометра (с идеальным рабочим окном, отцентрированным на 1,52 мкм).
Что означает эта цифра? Это граница оптического компромисса. Если попытаться заглянуть дальше (на более длинные волны), телескопу потребовалось бы то самое проклятое криогенное охлаждение. Но расчеты BARBIE показали, что до отметки 1,68 мкм инструмент способен блестяще разделять перекрывающиеся сигналы метана и CO2 при «комнатной температуре», не требуя при этом наблюдать за планетой долгими месяцами ради накопления сигнала.
Любой космический мегапроект начинается с фиксации технических требований. Пока нет точных цифр, инженеры не могут начать шлифовать зеркала и паять платы. Установив предел в 1,68 мкм, астрофизики сильно упростили жизнь конструкторам миссии. Теперь фокус смещается с разработки громоздких и капризных космических холодильников на чистое оптическое инженерное искусство — создание идеального коронографа.
Стоит оговориться: пока это лишь изящная математика, а до запуска HWO еще добрых 15–20 лет. Моделирование учитывает идеализированные условия, и в реальности экзопланеты могут преподнести множество сюрпризов (например, плотные слои облаков, которые скроют атмосферу).
Поиск инопланетной жизни оказался во многом задачей оптимизации сметы. Выясняется, что для нахождения «Земли 2.0» нужно не просто вглядываться в темноту, а точно знать, когда пора остановиться, чтобы ваш телескоп не вскипел от собственных амбиций. Проект BARBIE показывает, что иногда сужение горизонт обзора — это лучший способ увидеть главное.
Читайте также: Глубоководный телескоп Европы в поисках истоков Вселенной
Помочь донатом на Boosty.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
