Щоб розпізнати атмосферу справжньої Землі-двійника біля зорі, подібної до Сонця, астрономам потрібно вловити сигнал на рівні всього однієї частини на мільйон. За розрахунками, для цього знадобився б космічний телескоп діаметром близько 30 метрів. Команда на чолі з Цзянь Ге (Jian Ge) з Шанхайської астрономічної обсерваторії пропонує інший шлях — масив із сотень невеликих апаратів, описаний у концепції Life 2.0, про яку розповідає видання Universe Today.
Чому «друга Земля» дає лише один шанс на рік
Коли планета проходить по диску своєї зорі, частина її світла проходить крізь атмосферу планети. Газові молекули поглинають певні довжини хвиль, залишаючи у спектрі характерні «відбитки»: кисень, озон, водяну пару та інші сполуки, які можуть вказувати на придатність для життя.
Для планети розміру і типу Землі цей відбиток надзвичайно слабкий — приблизно одна частина на мільйон від загального світла зорі. До того ж транзит такої планети перед зорею трапляється лише раз на орбіту, тобто раз на рік у разі землеподібної орбіти.
Зазвичай астрономи борються зі слабкими сигналами, повторюючи вимірювання багато разів, щоб середнє значення «перекрило» шум. Це чудово працює для «гарячих Юпітерів», які обертаються за кілька днів і дають новий транзит щотижня. Але в разі Землі-двійника навіть за десять років спостережень вдасться накопичити лише десяток транзитів, і кожен із них повинен бути якісно опрацьований окремо, а не просто «усереднений».
Вебб замалий, а 30-метровий телескоп — надто складний
Космічний телескоп імені Джеймса Вебба (JWST) має головне дзеркало діаметром 6,5 метра, зібране з 18 шестикутних сегментів. Воно складалося «як столик-книжка», щоб уміститися всередину ракети, і розгортання цієї конструкції в космосі забрало роки підготовки.
Для впевненого зчитування атмосферних сигналів Землі-двійника знадобилася б апертура приблизно 30 метрів у космосі. Побудувати такий гігант надзвичайно складно й ризиковано: це індивідуальний, багаторічний проєкт, де один невдалий інцидент із дзеркалом може звести все нанівець.
При цьому JWST уже чудово показав, як працює транзитна спектроскопія. На прикладі гарячого газового гіганта WASP-39 b, який проходить перед своєю зорею кожні чотири дні, Вебб зміг детально «прочитати» атмосферу, зокрема виявити характерний горбик поглинання в спектрі, що відповідає вуглекислому газу. Але для «другої Землі» сигнал буде значно слабшим, а транзити — значно рідшими.
Life 2.0: рій із 900 телескопів замість одного гіганта
Альтернатива, яку пропонують Ге та колеги з Китаю та Іспанії, — це масив із 900 космічних телескопів діаметром близько одного метра кожен. Вони мали б працювати як розподілений телескопічний масив Life 2.0.
Кожен апарат несе власний мініатюрний спектрограф і надчутливий, малошумний детектор. Під час транзиту всі телескопи спостерігають одну й ту саму зорю з планетою, але працюють незалежно; потім їхні спектри поєднують. У підсумку за зібраною кількістю фотонів це еквівалентно телескопу з апертурою близько 30 метрів, але без необхідності будувати єдину величезну конструкцію.
Перевага підходу в тому, що всі елементи масиву можна виробляти як ідентичні модулі. Однометрові дзеркала з легкого карбіду кремнію та CMOS-детектори придатні для серійного виробництва. На відміну від цього, гігантське багатометрове дзеркало — це штучний виріб, що потребує тривалої і дорогої обробки.
Ключова частина системи — хвилеводні спектрографи. Вони не є суто теоретичною розробкою: прототипи таких приладів уже показали пропускання на рівні 40–66 %, що свідчить про реалістичність ідеї.
Складнощі, про які автори говорять відкрито
Автори наголошують, що Life 2.0 — це поки що концептуальна пропозиція, представлена на конференції, а не затверджена космічна місія. Вони прямо перелічують серйозні виклики, які треба подолати: систематичні похибки детекторів, довгострокова стабільність інструментів та змінність самих зір, яка може маскувати або спотворювати сигнали від планетних атмосфер.
Досвід, отриманий під час роботи JWST, дає інструменти для боротьби з цими ефектами, але не усуває їх автоматично. Саме тому в концепції наголошено, що проблеми потрібно не ігнорувати, а цілеспрямовано розв’язувати.
Місії на кшталт європейської PLATO та китайського проєкту Earth 2.0 уже будуються, щоб шукати кандидати — землеподібні планети в придатних зонах своїх зір. Залишається питання, хто і як зможе детально дослідити їхні атмосфери в пошуках біосигнатур. Концепція Life 2.0 пропонує один із можливих шляхів до цієї мети, поєднуючи масштабність спостережень і відносну технологічну реалізовуваність.