Какой телескоп первым обнаружит инопланетную жизнь?

Взгляд в будущее науки об экзопланетах позволяет предположить, что предстоящий Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT) даст нам лучший шанс в ближайшие два десятилетия обнаружить биосигнатуры на близлежащих скалистых мирах, вращающихся вокруг других звезд. Таков вывод нового исследования, в котором моделировалось, что потребуется для характеристики миров за пределами нашей Солнечной системы с заманчивой перспективой существования жизни, таких как Проксима Центавра b.

Это исследование позволит астрономам нацелиться на ключевые экзопланетные цели в 2030-х годах и в последующий период. Помимо измерения объемных свойств экзопланет — массы, радиуса и орбитального периода — астрономы узнают об этих внесолнечных мирах, изучая их атмосферы.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) делает это, например, с помощью транзитной спектроскопии. Когда планета проходит (другими словами, движется перед) своей звездой с точки зрения телескопа, часть света звезды фильтруется через атмосферу планеты.

Любые атмосферные молекулы, присутствующие в этой атмосфере, могут поглощать звездный свет. Важно отметить, что разные молекулы поглощают волны определенной длины, что делает каждую длину волны признаком конкретной молекулы. Так, например, JWST недавно обнаружил намеки на наличие метана и углекислого газа в атмосфере экзопланеты K2-18b.

Однако нашим машинам удается увидеть лишь небольшую часть планет, проходящих через свои звезды, а это означает, что ученым придется использовать другие способы характеристики экзопланетных атмосфер. Это касается миров, которые вообще не проходят транзит, а также миров, которые могут проходить незаметно для нас.

Одним из вариантов является прямая визуализация, но непосредственная визуализация экзопланет является сложной задачей. Хотя на сегодняшний день получены изображения десятков экзопланет, таких как HD 950086b, все они — молодые большие миры, еще горячие после процессов своего формирования.

Поэтому они ярко светятся в инфракрасном свете, находясь на большом угловом расстоянии от своей родительской звезды. Другими словами, мы не можем видеть какие-либо детали этих миров — планеты кажутся просто точками света — но внутри их световых узоров скрыты линии поглощения, связанные с атмосферными молекулами.

Однако, чтобы выявить эти спектральные детали, потребуется очень большой телескоп, чтобы получить достаточно высокое соотношение сигнал/шум света планеты на фоне фоновых данных.

Итак, с помощью трех гигантских наземных обсерваторий, которые должны увидеть первый свет к следующему десятилетию, астрономы Хуэйхао Чжан, Цзи Ван и Майкл Пламмер, все из Университета штата Огайо, хотели проверить, насколько хорошо эти будущие взгляды на Вселенную будут характеризовать Вселенную. экзопланеты с помощью прямых изображений.

Цель состояла в том, чтобы увидеть, насколько лучше они выполняют свою задачу по сравнению с транзитной спектроскопией, выполняемой через 6,5-метровое (21 фут) зеркало JWST.

Эти три наземных телескопа следующего поколения — это 39-метровый (128 футов) Европейский чрезвычайно большой телескоп (ELT), 98-футовый Тридцатиметровый телескоп (TMT) на Мауна-Кеа и 24-метровый (79 футов) Гигантский телескоп. Магелланов телескоп (GMT). ELT и GMT строятся в разных местах чилийской пустыни Атакама; только в декабре прошлого года первые зеркальные сегменты для ELT были отправлены в Южную Америку.

«Трудно сказать, лучше ли космические телескопы, чем наземные, потому что они разные», — сказал Чжан в заявлении для прессы. «У них разная среда, разные места, и их наблюдения оказывают разное влияние».

Чжан, Ван и Пламмер смоделировали работу двух инструментов на ELT — сканера и спектрографа ELT среднего инфракрасного диапазона (METIS) и монолитного оптического и ближнего инфракрасного интегрального полевого спектрографа с высоким угловым разрешением (HARMONI).

Они смоделировали эти инструменты на 10 реальных экзопланетах, вращающихся вокруг близлежащих красных карликов, проверяя, насколько хорошо они могут обнаруживать потенциальные биосигнатуры, такие как молекулярный кислород, углекислый газ, метан и вода, посредством прямого изображения.

«Не каждая планета подходит для прямых изображений», — сказал Чжан. «Но именно поэтому моделирование дает нам приблизительное представление о том, что мог бы дать ELT и какие обещания он должен выполнить, когда будет построен». Результаты были неоднозначными. Мир под названием GJ 887b, супер-Земля, в четыре раза массивнее нашей планеты, вращающейся вокруг самого яркого красного карлика в нашем небе примерно в 11 световых годах от нас, показал лучшие результаты в симуляциях.

METIS, в частности, оказался способен обнаруживать вышеупомянутые биосигнатуры в своей атмосфере. В ходе моделирования METIS также смог обнаружить те же биосигнатуры на экзопланетах Проксима b и Вольф 1061c, в то время как HARMONI смог сделать те же обнаружения, но для этого потребовалось более длительное время экспозиции.

Тем не менее, по словам команды, ELT, скорее всего, будет испытывать трудности при попытке напрямую отобразить и охарактеризовать семь миров системы TRAPPIST-1 из-за «ограничений наблюдения за атмосферой», препятствующих попыткам разрешить ключевые крошечные измерения углового разделения планет от их звезды. . В этом случае транзитная спектроскопия JWST работает лучше, но даже обсерватория стоимостью 10 миллиардов долларов испытывает трудности.

Предварительные результаты JWST позволяют предположить, что самые внутренние планеты TRAPPIST-1, миры b и c, не имеют атмосферы. JWST могут потребоваться годы, чтобы собрать достаточно данных, чтобы сделать выводы о других пяти мирах TRAPPIST-1, включая планеты d, e и f, которые находятся в обитаемой зоне. Возможности и ограничения ELT и JWST не будут последним словом в характеристике экзопланет.

В последнем десятилетнем обзоре астрономии Национальной академии наук рекомендовано ускорить разработку нового гигантского космического телескопа с восьмиметровым зеркалом как минимум к дате запуска в 2040-х годах. Такой телескоп будет оптимизирован для обнаружения, изображения и характеристики каменистых миров в обитаемых зонах вокруг близлежащих звезд, включая Проксиму b.

До тех пор Чжан, Ван и Пламмер полагают, что следующее поколение больших наземных телескопов, а именно JWST, сможет сплотить астрономов, чтобы начать исследовать экзопланеты и начать изучать, действительно ли некоторые из них могут поддерживать жизнь — по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем.