Запитайте Ітана: як виглядатиме наша перша пряма фотографія землеподібної екзопланети?

Фото Землі, отримане камерою DSCOVR-EPIC, і воно ж погіршене до роздільної здатності 3х3 пікселя – приблизно в такому вигляді дослідники майбутнього побачать екзопланети.

За останні десятиліття, в основному завдяки місії Кеплер, наші знання щодо планет інших зоряних систем дуже збільшилися. Від кількох світів – переважно масивних, зі швидкими, внутрішніми орбітами, що обертаються навколо зірок із невеликою масою – до майже тисяч планет абсолютно різних розмірів. Тепер ми знаємо, що світи розміром із Землю і трохи більше зустрічаються надзвичайно часто. Обсерваторії з наступного покоління, які з'являться як у космосі (наприклад, телескоп Джеймса Вебба), так і на землі (ГМТ та ELT), зможуть сфотографувати найближчі з цих світів. Як вони виглядатимуть? Про це запитує наш читач:

Якої роздільної здатності можна очікувати від цих фото? Декілька пікселів, чи якихось видимих подробиць?

Самі собою фотографії не будуть дуже вражаючими. Проте з них ми зможемо дізнатися про все, про що можна мріяти (в розумних межах).

Проксима b на орбіті навколо Проксима Центавра, в уяві художника. За допомогою майбутніх 30-метрових телескопів ми зможемо побачити її безпосередньо, але не так красиво, як на зображенні.

Спочатку розберемося з поганими новинами. Найближча до нас зоряна система – Альфа Центавра, вона розташована лише за 4 світлові роки від нас. Вона складається з трьох зірок:

• Альфа Центавра А, зірка класу G, як Сонце;
• Альфа Центавра В, холодніша і менш масивна зірка класу К, вона обертається навколо Альфа Центавра А на орбіті, порівнянної з орбітами наших газових гігантів;
• Проксима Центавра, набагато холодніша і менш масивна зірка М-класу, у якої є щонайменше одна планета розміром із Землю.

Навколо цієї потрійної зоряної системи може існувати набагато більше планет, але вони будуть дрібними, а відстань від них до зірок буде величезною.

Нова 5-дзеркальна оптична система ELT. Перед тим, як потрапити в наукові інструменти, світло відбивається від увігнутого 39-метрового сегментованого основного дзеркала (М1), а потім відбивається від двох наступних 4-метрових дзеркал, опуклого М2 і вогнутого М3. Два останні дзеркала, М4 та М5, формують адаптивну оптичну систему, що дозволяє отримувати надзвичайно різкі зображення на останній фокальній площині. Світлова потужність і кутовий дозвіл у 0,005" цього телескопа будуть кращими, ніж у будь-якого іншого в історії.

Найбільший телескоп з усіх, що будуються, ELT, матиме 39 м у діаметрі, а отже, максимальну кутову роздільну здатність 0,005 кутових секунд; 60 кутових секунд становлять 1 кутову хвилину, а 60 кутових хвилин – 1 градус. Якщо помістити планету розміром із Землю поруч із Проксимою Центавра, найближчою до нашого Сонця зіркою, розташованою в 4,24 світлових років, її кутовий діаметр дорівнюватиме 67 кутових мікросекунд (μas), а значить, навіть у нашого кращого з телескопів, що будуються, дозвіл буде в 74 рази гірше, ніж потрібно для того, щоб розглянути планету розміром із Землю.

Все, на що ми можемо сподіватися - єдиний насичений піксель, світло якого проникає в сусідні пікселі, що оточують його, і це на самих передових камерах з максимальною роздільною здатністю. Візуально це стане серйозним розчаруванням для всіх, хто сподівався отримати гарний вигляд типу того, що є на ілюстраціях від НАСА.

Екзопланета Кеплер-186f, властивості якої, можливо, схожі на Землю, у виставі художника. Однак такі ілюстрації є умоглядними, і майбутні дані не дадуть нам видів, схожих на це.

Однак, тут погані новини закінчуються. Використовуючи коронограф, ми зможемо заблокувати світло від батьківської зірки та спостерігати світло безпосередньо від самої планети. Звичайно, ми отримаємо світла на один піксель, але це не буде нерухомий і постійний піксель. Ми зможемо відстежувати світло трьома різними способами:

1. У різних кольорах, фотометрично, звідки ми дізнаємося про загальні оптичні властивості будь-якого зображення планети.
2. Спектроскопічно, що дозволить нам розбити світло на різні довжини хвиль та шукати ознаки наявності певних молекул та атомів на поверхні та в атмосфері.
3. Вимірюючи зміни двох попередніх пунктів із обертанням планети навколо осі та по орбіті, ми отримаємо тимчасові характеристики.

Лише з одного світлового пікселя ми зможемо визначити величезну кількість властивостей будь-якого світу, що вивчається. І ось деякі з них.

Екзопланета з місяцем, що обертається навколо неї.

Вимірюючи відображення від планети світла під час її руху по орбіті, ми отримаємо інформацію про багато явищ, деякі з яких ми спостерігаємо на Землі. Якщо у різних півкуль світу буде різне альбедо (відбивна здатність), і світ обертатиметься будь-яким чином, окрім як припливно з'єднаний із зіркою у співвідношенні 1:1, ми зможемо побачити періодичний сигнал, що з'являється, коли планета повертається до своєї зірки іншою стороною.

У світі з континентами та океанами сигнал підвищуватиметься і знижуватиметься на різних частотах, відповідаючи тим його частинам, які будуть відображати пряме світло у бік наших телескопів.

У даних, зібраних та випущених космічним телескопом TESS, призначеним для відкриття екзопланет транзитним методом, вже відкрито сотні кандидатів у планети. На зображенні показані три найцікавіші, і за ними з'явиться ще безліч.

А якщо на планеті будуть хмари та атмосферні феномени, що блокують і відбивають світло? Тоді погода, що змінюється, дозволить нам отримати цей сигнал, коли ми спостерігатимемо, як хмарний покрив змінюється з часом, накладаючи свою дію на інші ефекти. У хмар також будуть певні молекулярні ознаки, які покажуть, чи складаються вони із сірчаної кислоти, водяних крапель, метану або іншого летючого матеріалу.

Завдяки можливостям прямого спостереження ми зможемо прямо вимірювати зміни погоди на планеті, яка знаходиться за межами нашої Сонячної системи.

Композитні зображення «Блакитної кульки» 2001-2002 року створені спектрорадіометром MODIS.

Життя виявити буде важче, але якщо є екзопланета, на якій існує життя, схоже на земне, ми побачимо на ньому деякі специфічні сезонні зміни. Обертання Землі навколо осі означає, що взимку, коли наша півкуля відвертається від Сонця, полярні шапки збільшуються, відбивна здатність континентів, що покриваються снігом до нижчих широт, збільшується, і світ стає менш зеленим.

Влітку, навпаки, наша півкуля дивиться на Сонце. Полярні шапки зменшуються, континенти набувають зеленого кольору, що домінує у рослинного життя нашої планети. Схожі сезонні зміни вплинуть на світ будь-якої екзопланети, що нами фотографується, що дозволить нам судити не тільки про сезонні зміни, але і про відсоткові зміни розподілу кольору і відбивної здатності.

На цьому знімку Титану метановий туман та атмосфера показані напівпрозоро-блакитним кольором, і видно риси поверхні. Для створення зображення використовувалися знімки в ультрафіолеті, оптичному та інфрачервоному діапазонах.

Також мають проявитися планетні та орбітальні характеристики. Якщо тільки ми не спостерігаємо транзит планети на наш погляд, коли планета проходить рівно між нами і своєю зіркою, ми не дізнаємося орієнтацію її орбіти. Тобто ми не впізнаємо її маси; нам буде відома лише комбінація маси та кута нахилу орбіти.

Але якщо ми виміряємо зміну її світла з часом, ми зможемо обчислити, як мають виглядати її фази, і як вони змінюються. Цю інформацію ми зможемо використовувати для визначення її маси і орбітального нахилу, і навіть наявності чи відсутності великих місяців. Навіть з єдиного пікселя, віднімаючи зміни світла, що стосуються кольору, покриття хмарами, обертання та сезонних змін, ми зможемо отримати всю цю інформацію.

Фази Венери, видимі з Землі, аналогічні до фаз екзопланети, що обертається навколо своєї зірки. Якщо її «нічна» сторона матиме певні температурні властивості, до яких чутливий телескоп Джеймса Вебба, ми зможемо визначити, чи є на ній атмосфера, а також її складові.

Нарешті, пряме спостереження і спектроскопічний аналіз повинні показати нам складові атмосфери, які у ній є молекули і атоми.

Це важливо з багатьох причин. Так, очевидна велика надія – знайти атмосферу, багату на кисень, можливо, навіть разом з інертною, але поширеною молекулою азоту, що дасть істинно земну атмосферу. Але ми зможемо піти й надалі, пошукавши наявність води. Можна пошукати й інші ознаки потенційного життя, типу метану та двоокису вуглецю. Ще одним цікавим наслідком, що недооцінюється сьогодні, буде можливість безпосередньо розглянути надземлі. Які мають гігантські покриви з водню і гелію, а у яких їх немає?

Класифікація планет – скелясті, нептуноподібні, юпітероподібні, зоряні. Кордон між землеподібними та нептуноподібними планетами розмитий.

Якщо ми захочемо по-справжньому побачити подробиці на планеті, яка розташована за межами нашої Сонячної системи, нам знадобиться телескоп у сотні разів більший, ніж найбільші із запланованих: діаметром у кілька кілометрів. А до того дня ми можемо чекати на отримання інформації про безліч важливих речей, пов'язаних із найближчими землеподібними світами в нашій галактиці. TESS вже знаходить нові планети. Джеймс Вебб добудований, і чекає запуску в 2021. Три 30-метрові телескопи будуються, і перший (ГМТ) повинен запуститися в 2024, а найбільший (ELT) - побачити перше світло в 2025. Через десять років у нас будуть безпосередні (оптичні або інфрачервоні) ) дані про десятки світів, розміром із Землю або трохи більше, розташованих поза нашою Сонячною системою.

Єдиний піксель може здаватися чимось незначним, але задумайтеся над тим, скільки всього ми можемо дізнатися - про сезони, погоду, континенти, океани, полярні шапки, навіть життя - і ви будете вражені.