Земля поддерживает единственную известную жизнь во Вселенной, которая в значительной степени зависит от наличия жидкой воды, облегчающей химические реакции. Хотя одноклеточная жизнь существовала почти столько же, сколько существует сама Земля, потребовалось примерно три миллиарда лет, чтобы сформировалась многоклеточная жизнь. Человеческая жизнь существует менее чем одну десятитысячную часть возраста Земли.
Всё это говорит о том, что жизнь может быть распространена на планетах, поддерживающих существование жидкой воды, но может быть редкостью найти жизнь, которая изучает Вселенную и стремится путешествовать в космосе. Чтобы найти внеземную жизнь, возможно, нам придётся отправиться к ней.
Однако необъятность космоса в сочетании с невозможностью путешествовать или общаться быстрее, чем со скоростью света, накладывает практические ограничения на то, как далеко мы можем путешествовать. Только ближайшие к Солнцу звёзды могут быть потенциально посещены космическими аппаратами за время жизни человека. Кроме того, только звёзды, похожие по размеру и температуре на Солнце, достаточно долго живут и имеют достаточно стабильную атмосферу, чтобы многоклеточная жизнь успела сформироваться.
Наиболее ценные для изучения звёзды
Наиболее ценными для изучения являются около 60 солнцеподобных звёзд, которые находятся от нас на расстоянии примерно до 30 световых лет. У этих звёзд есть планеты, которые могут иметь размеры и температуры, похожие на земные, чтобы на них могла существовать твёрдая поверхность и жидкая вода.
Наблюдение за экзопланетой, похожей на Землю, отдельно от звезды, вокруг которой она вращается, является серьёзной задачей. Даже в лучшем случае звезда в миллион раз ярче планеты. Если два объекта будут размыты, то обнаружить планету не удастся.
Оптическая теория
Оптическая теория утверждает, что лучшее разрешение, которое можно получить на изображениях с помощью телескопа, зависит от размера телескопа и длины волны наблюдаемого света. Планеты с жидкой водой излучают больше всего света на длинах волн около 10 микрон (ширина человеческого волоса и в 20 раз больше типичной длины волны видимого света). На этой длине волны телескопу необходимо собрать свет на расстоянии не менее 20 метров, чтобы иметь достаточно высокое разрешение для разделения Земли и Солнца на расстоянии 30 световых лет.
Кроме того, телескоп должен находиться в космосе, потому что наблюдение через атмосферу Земли слишком сильно размывает изображение. Однако космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) имеет диаметр всего 6,5 метра, и запуск этого телескопа был чрезвычайно сложным.
Альтернативные подходы
Поскольку развёртывание 20-метрового космического телескопа с помощью современных технологий кажется недостижимым, учёные изучили несколько альтернативных подходов. Один из них предполагает запуск нескольких небольших телескопов, которые поддерживают чрезвычайно точное расстояние друг от друга, так что весь набор действует как один телескоп с большим диаметром. Однако поддержание требуемой точности положения космических аппаратов (которая должна быть точно откалибрована до размера типичной молекулы) в настоящее время также неосуществимо.
Другие предложения используют свет с более короткими длинами волн, чтобы можно было использовать меньший телескоп. Однако в видимом свете солнцеподобная звезда более чем в 10 миллиардов раз ярче Земли. В настоящее время невозможно блокировать достаточно много звёздного света, чтобы увидеть планету в этом случае, даже если в принципе изображение имеет достаточно высокое разрешение.
Идея блокировки звёздного света
Одна из идей блокировки звёздного света предполагает запуск космического аппарата под названием «звёздныйshade», который имеет десятки метров в поперечнике, на расстоянии десятков тысяч миль перед космическим телескопом, чтобы он точно блокировал свет от звезды, в то время как свет от планеты-компаньона не блокировался. Однако этот план требует запуска двух космических аппаратов (телескопа и звёздногоshade). Кроме того, наведение телескопа на разные звёзды потребует перемещения звёздногоshade на тысячи миль, что потребует недопустимо большого количества топлива.
Более осуществимая альтернатива
В статье, опубликованной в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, астрофизики предлагают более осуществимую альтернативу. Они показывают, что можно найти близлежащие планеты, похожие на Землю, вращающиеся вокруг солнцеподобных звёзд, с помощью телескопа примерно такого же размера, как JWST, работающего на той же инфракрасной длине волны (10 микрон), что и JWST, с зеркалом размером 1 на 20 метров вместо круга диаметром 6,5 метра.
С зеркалом такой формы и размера можно отделить звезду от экзопланеты в направлении, длина которого составляет 20 метров. Чтобы найти экзопланеты в любой позиции вокруг звезды, зеркало можно поворачивать так, чтобы его длинная ось иногда совпадала со звездой и планетой.
Команда показывает, что такая конструкция может в принципе найти половину всех существующих планет, похожих на Землю, вращающихся вокруг солнцеподобных звёзд в пределах 30 световых лет менее чем за три года. Хотя конструкция потребует дальнейшей инженерной доработки и оптимизации, прежде чем её возможности будут подтверждены, нет никаких очевидных требований, которые требовали бы интенсивного технологического развития, как в случае с другими ведущими идеями.
Если предположить, что у средней солнцеподобной звезды есть одна планета, похожая на Землю, то мы обнаружим около 30 перспективных планет. Последующее изучение этих планет может выявить те, у которых есть атмосферы, предполагающие наличие жизни, например, кислород, который образовался в результате фотосинтеза.
Для наиболее перспективного кандидата можно отправить зонд, который в конечном итоге будет передавать изображения поверхности планеты, говорят астрофизики. Прямоугольный телескоп может обеспечить прямой путь к идентификации нашей «сестры» — планеты Земля 2.0.
Предоставлено: Frontiers.