За чверть століття після відкриття перших планет поза межами Сонячної системи астрономи знайшли ще понад 3500 інших. Вони дуже різні. Одні — розпечені газові гіганти, які кружляють навколо своєї зорі з шаленою швидкістю, «рік» їхній триває кілька днів. Другі — повністю вкриті океанами кількадесят кілометрів завглибшки. Якісь із них не міг би уявити навіть найвигадливіший фантаст. Одна з таких планет, 55 Рака Е, може мати графітову поверхню й діамантову мантію. Принаймні так думають астрономи. Точно сказати вони не можуть, бо ж екзопланети виявляють двома основними способами: вимірюючи коливання материнської зірки під впливом гравітації планет або ледь помітне зменшення її світності, коли планета проходить перед зірковим диском. Ці показники багато подробиць не розкривають. Таким чином астрономи можуть зробити висновки про основне: розмір планети, її масу та орбіту. Інколи світло зорі, яке проходить крізь атмосферу планети, може показати хімічний склад повітря останньої. Решта — здогади.
Конкретизації їх здатні допомогти безпосередні знімки планет. За ними астрономи могли б з’ясувати температуру поверхні планети, проаналізувати, з чого вона складається, і навіть приблизно уявити собі її географію (якби планета була достатньо близькою, а телескоп — достатньо потужним). Отримати світло, потрібне для таких «портретів», важко. Перший знімок екзопланети 2M1207b, що за 170 світлових років від нас, було зроблено у 2004-му. Відтоді альбом поповнився лише кільканадцятьма іншими. Проте незабаром ситуація повинна змінитися: до справи залучать нові інструменти й на Землі, й у Космосі. Кілька об’єктів, за якими спостерігатимуть ці телескопи, цілком можуть виявитися планетами, на котрих здатне зародитися життя. Тобто завбільшки із Землю, на належній відстані від зірок, схожих на наше Сонце, у придатних до життя зонах цих зірок, де тепло від зорі не дає воді замерзнути, але й не доводить її до кипіння.
Усміхаймося, будь ласка
Фотографувати екзопланети важко із двох причин: через відстань до них і між ними та через те, що світло від них майже повністю перебиває світло материнської зірки.
Міжзоряні відстані не просто ускладнюють видимість об’єктів — вони зменшують для ока прогалину між планетою та її зорею, тому на фотографії два об’єкти взагалі важко розрізнити. Видимі проміжки вимірюються у спеціальних одиницях — кутових секундах (або арксекундах; це 1/3600°). Візуально — це як дивитися на американську монету в 10 центів із відстані 4 км. Найближча до Землі екзопланета обертається навколо Проксими Центавра, сусідки нашого Сонця. Але, за даними дослідниці екзопланет з Единбурзького університету Бет Біллер, кутова прогалина між цією планетою та її зорею — лише 0,038 арксекунди. Щоб розрізнити об’єкти, які перебувають на такій малій відстані один від одного, потрібен досить великий телескоп. Іще одна проблема — із сяйвом — найкраще вирішується за допомогою матового диска (коронографа), вміщеного в оптику телескопа. Функція коронографа — блокувати світло, що йде безпосередньо від зірки, але пропускати будь-яке її світло, відбите планетою, що рухається по її орбіті. Якщо дивитися на Землю з-поза меж Сонячної системи, її світність дорівнюватиме одній десятимільярдній світності Сонця.
У випадку екзопланет, які вже «сфотографувалися», ці проблеми найменш дошкульні.
Дивіться також: Сюрреалістичні фотографії Землі з космосу
Вони є велетенськими кулями (а отже, відбивають багато світла), обертаються на великій відстані від тьмяних материнських зірок (отже, між ними велика видима прогалина, а сліпуче світло зорі зведене до мінімуму). Крім того, на цих перших зразках планетарної фотографії зазвичай фігурують молоді, щойно сформовані світи, які ще мають трохи світла від досі високої температури, зумовленої процесом їх формування. Але й тут потрібне серйозне обладнання. Чотири гігантські планети на орбіті зорі HR8799 сфотографували впродовж 2008–2010 років телескопи Keck і Gemini на Гаваях. Головні дзеркала на них мають відповідно 10 м і 8,1 м у діаметрі. Хороша новина для фотографів планет: таких телескопів стає більше й на них установлюють спеціальні камери для фотографування.
На сьогодні три найкращі камери — це Gemini Planet Imager, установлена на південному телескопі Gemini в Чилі, Спектрополяриметричний висококонтрастний інструмент дослідження екзопланет, яким обладнаний Надвеликий телескоп у Європейській південній обсерваторії, також у Чилі, й Коронографічна екстремальна адаптивна оптична система Субару на японському телескопі Subaru на Гаваях. На всіх цих телескопах дзеркала понад 8 м у діаметрі, одні з найбільших у світі, а їхні камери для планетарної фотографії обладнані найскладнішими на сьогодні коронографами. Отож-бо камера Subaru, наприклад, може робити знімки планет-гігантів, які обертаються навколо своїх зірок на відстані трохи ближчій, ніж відстань між нашим Сонцем і Юпітером.
Удосконалення чутливості камер даватиме астрономам змогу фотографувати значно більше світів. Наприклад, камера Gemini Planet Imager шукає планети навколо 600 перспективних зірок. Про її перше відкриття було повідомлено в серпні 2015 року. Але навіть ці велетні обмежуватимуться фотографуванням тільки газових гігантів. Щоб знімати наступну категорію менших планет («крижаних гігантів» на кшталт Нептуна й Урана), а потім і великі кам’янисті — класу «надземля», яким немає аналогів у Сонячній системі, знадобляться ще потужніші інструменти.
Їх уже розробляють. У горах Чилі будується Європейський екстремально великий телескоп (ELT). Діаметр його дзеркала — 39,3 м. Це майже вчетверо більше, ніж у нинішнього рекордсмена Gran Telescopio Canarias на Канарських островах (10,4 м). По закінченні побудови, у 2024 році, ELT буде достатньо чутливим, щоб сфотографувати планету Проксими Центавра та інші скелясті планети на орбітах ближніх зірок. Дещо менший Гігантський Маґелланів телескоп планують добудувати у 2021 році. 30-метровий телескоп, який заплановано створити на Гаваях, за розміром буде орієнтовно між цими двома (хоча його побудова зупинилася через юридичні проблеми).
«Далі вдосконалювати наземні телескопи, мабуть, нікуди», — вважає Метт Маунтін, президент Асоціації університетів для астрономічних досліджень, який керував створенням телескопів Gemini. Переміщення повітряних потоків у земній атмосфері (через що, коли спостерігаєш неозброєним оком, здається, ніби зорі миготять) обмежує можливості використання телескопів для фотографування планет. Щоб обійти ці перешкоди, потрібно вийти в Космос. Телескоп James Webb, запуск якого заплановано на 2018 рік, створювали не зовсім для цього, але його дзеркало діаметром 6,5 м й достатньо сильний коронограф мали б уможливити зйомку великих ближніх планет. Телескоп зможе також «рознюхати» атмосферу багатьох інших, проаналізувавши світло зір, яке проходить крізь неї на шляху до Землі. Космічний телескоп WFIRST, запуск якого планується на середину 2020-х років, сам робитиме знімки, і його використовуватимуть для випробовувань найновішого покоління коронографів.
Читайте також: NASA зібрала найбільший космічний телескоп
Після цього астрономи, які хочуть знімати справді подібні до Землі планети, усі свої надії покладають на низку зухвалих проектів, що наразі існують у вигляді пропозицій на папері в НАСА. Одним із найцікавіших є проект New Worlds Mission. Він передбачає запуск у Космос гігантського окультера (фактично зовнішнього коронографа), який летітиме поруч із наявним космічним телескопом (можливо, із James Webb) і помітно розширюватиме можливості фотографування екзопланет.
Розмір не головне
Утім, не гігантоманією єдиною — у цьому переконана команда вчених на чолі з колишнім директором відділу астрофізики при НАСА Джоном Морсом. Project Blue — так вони себе називають — сподівається за допомогою приватних грантів, бюджетних коштів та пожертв громадськості профінансувати побудову космічного телескопа вартістю $50 млн (для порівняння: бюджет James Webb — $9 млрд), який спробував би робити знімки будь-яких схожих на Землю екзопланет у придатній для життя зоні Альфи Центавра А — найближчої до Землі схожої на Сонце зірки, старшої сестри Проксими Центавра.
Альфа Центавра гарячіша за Проксиму, тобто її придатна для життя зона розкинулася значно далі. Це, як і невелика відстань від нас до зорі, дасть змогу Project Blue обійтися дзеркалом із діаметром 30–45 см. Дзеркала такого розміру цілком можуть бути в телескопах ентузіастів — аматорів астрономії. Проте любителі не мають керованого комп’ютером «мультизіркового дзеркала із хвилефронтовим керуванням». У цьому дзеркалі використовуватиметься технологія, яка вже підлаштовується під наземні телескопи й називається адаптивною оптикою: окремі ділянки дзеркала зазнають ледь відчутних деформацій, щоб моделювати вловлене світло.
Читайте також: Китай успішно запустив нову космічну місію
За словами професора Супрії Чакрабарті з Університету Ловелл у штаті Массачусетс, у парі з коронографом хвилефронтовий регулятор дасть змогу телескопові перекривати світло не тільки від Альфи Центавра А, а й від Альфи Центавра В — зірки-компаньйонки, ще ближчої до неї, ніж Проксима Центавра. Крім того, планується за кілька років зробити тисячі знімків. Якщо аналізувати такі масиви фотографій, а паралельно постійно відстежувати сигнали (особливо ті, що проявляються на потенційних орбітах), комп’ютери зможуть виловлювати з усього цього шуму планети.
Якщо це вдасться, то завдяки близькості Альфи Центавра А телескоп дослідників із Project Blue зможе знайти багато інформації про будь-які планети на орбіті цієї зірки (статистичний аналіз відомих екзопланет свідчить, що вони там, найімовірніше, є). Дослідження їхнього світлового спектра покаже, з чого складаються їхня атмосфера й поверхня, зокрема засвідчать наявність сполук типу кисню й метану, які можуть означати присутність життя. Може, навіть вийде безпосередньо розпізнати рослинність (чи якийсь її інопланетний еквівалент). Тривалість дня планети можна вирахувати, спостерігаючи постійні зміни її світності, адже завдяки обертанню навколо осі континенти й океани по черзі то з’являтимуться, то зникатимуть. Спостерігаючи за тривалішими варіаціями, можна дізнатися про пори року на планеті; коротші й хаотичніші можуть засвідчити погодні явища.
Якщо Project Blue вчасно збере кошти, він сподівається запустити свій телескоп у 2019 чи 2020 році. Можливість зробити знімок кам’янистої планети на орбіті однієї з найближчих сусідок Сонця стала б надзвичайною науковою удачею. Якби знайшлася придатна до життя планета, це було б одним із найбільших наукових відкриттів століття. Спонсори можуть узяти це до уваги.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com