Линзу для поиска внеземных цивилизаций создала сама природа: Земляне строят телескоп, чтобы увидеть миры у других звезд

Мечта людей увидеть иные миры вполне осуществима. Фото: AZIZBEK ULUGBEKOVICH/Shutterstock/Fotodom

Астрономы создают телескоп, чтобы получить прямое изображение планет у иных звезд (экзопланет) и извлечь данные об их поверхности и атмосфере. Затея дерзкая: прибор надо доставить на окраину Солнечной системы, куда даже «Вояджер» еще не добрался. Предполагается, что реализация миссии начнется в середине 2030 х. Первые результаты будут доступны к концу 2040-х — в зависимости от архитектуры миссии и темпов появления недостающих технологий, рассказал KP.RU идеолог проекта, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА Вячеслав Турышев.

СПАСИБО ЭЙНШТЕЙНУ

Построить телескоп, даже самый гигантский, который «покажет» планету у другой звезды, физически нельзя, решительно говорит Вячеслав Турышев. Но все-таки можно, добавляет он. Парадокс?

Вячеслав Турышев демонстрирует фотографии далеких галактик. И это странные фотографии: на снимках видны дуги и кольца — так называемые Эйнштейновские кольца.

— Так работает гравитация, — объясняет ученый. — Свет далекой галактики исказило гравитационное поле другой, более близкой, галактики.

Эффект «гравитационной линзы» прямо следует из теории относительности Эйнштейна. Очень массивные тела, например, звезды или галактики, должны работать как настоящие «телескопы», фокусируя изображения с детализацией, недоступной привычным оптическим инструментам.

Эффект тонок: только в 1979 году астрономы Деннис Уолш, Роберт Кассл, и Рэй Уэйман обнаружили первую природную гравитационную линзу. Сегодня известны сотни подтверждённых и тысячи кандидатов.

— Но природа не заботится о том, чтобы направить «естественный гравитационный телескоп» туда, куда нам надо. Например, на планету, где могут быть условия для зарождения высокоразвитой цивилизации. Значит, нам надо все «организовать» самостоятельно, — говорит Вячеслав Турышев.

Эйнштейновские кольца должны работать как настоящие «телескопы», фокусируя изображения с детализацией, недоступной привычным оптическим инструментам. Фото: ESA/Global Look Press

МАНЯЩИЕ ОКРАИНЫ

Команда Вячеслава Турышева перебрала все возможные «быстрые» решения. Например, Юпитер в роли такой гравитационной линзы. Но они не работают.

— На самом деле, единственное тело в Солнечной системе, которое в силу своей массы может «линзовать», это Солнце, — говорит Вячеслав Турышев.

Итак, нам надо двинуться туда, откуда Солнце прикроет собой интересный объект. Но лететь придется на самые задворки.

Как у всякой линзы, у гравитационной есть фокус. Если вы нарушите фокусировку обычного фотоаппарата, получите муть. Точно так же вне фокальной области гравитационной линзы изображение быстро теряет резкость.

В отличие от фотоаппарата, фокальная область солнечной гравитационной линзы — это не точка, а линия. Она начинается далеко за орбитой Плутона и тянется в еще более невообразимую даль, к соседним звездам.

Астрономы не измеряют расстояния в километрах, неудобно, часто для столь больших цифр просто нет названий. В Солнечной системе используется «астрономическая единица», это расстояние от Земли до Солнца. Одна астрономическая единица – 150 миллионов километров. Так вот, говорит Вячеслав Турышев, «линия резкости» солнечной гравитационной линзы берет начало на 547 астрономических единицах. Для сравнения: от Солнца до Плутона – 40 астрономических единиц, а «Вояджер» улетел лишь на 170 астрономических единиц.

— На практике для наблюдений часто рассматривают диапазон порядка 650–900 астрономических единиц, чтобы снизить помехи изображению от «короны», которая окружает Солнце, и подавить засветку. «Вояджеру» до начала фокальной линии лететь больше века. И на этом старом аппарате нет нужного оборудования, чтобы что-то увидеть, — указывает Вячеслав Турышев.

Похоже, нам надо на Земле с нуля собрать большой телескоп диаметром около метра, еще и с коронографом («заслонкой», которая прикроет солнечный свет). Доставить его туда, где даже «Вояджер» еще не бывал. Обеспечить с ним связь, добиться корректной работы всех систем. И получить картинку не через столетия, а «прямо сейчас», лет через 10-20. Иначе смысл. Реально ли?

Единственное тело в Солнечной системе, которое в силу своей массы может «линзовать», это Солнце. Фото: Nazarii_Neshcherenskyi/Shutterstock/Fotodom

ПОПУТНОГО ВЕТРА

— Реально, если телескоп «поедет» на край Солнечной системы не на обычной ракете, а на солнечном парусе, — говорит Вячеслав Турышев, — Чтобы в разумные сроки добраться до, условно, Плутона, нам надо за год преодолевать 3-4 астрономические единицы, то есть получить скорость в 15-20 километров в секунду. Это вполне по силам химическим ракетам. А вот миссию к «солнечному гравитационному фокусу» ракета не потянет. Нужно за год преодолевать 20-30 астрономических единиц, скорость – 100-150 километров в секунду. Ракета должна нести на себе в триллионы раз больше топлива, чем полезной нагрузки. Так не бывает, — говорит Вячеслав Турышев.

Идею солнечного паруса предложили еще в начале ХХ века Константин Циолковский и советский инженер Фридрих Цандер. Фотоны – частицы света – врезаются в громадную отражающую «фольгу». И давят на нее: ведь фотоны несут импульс, и при отражении передают его парусу. Идея рабочая, говорит Вячеслав Турышев, и солнечные паруса уже демонстрировались: так, японский аппарат IKAROS успешно летал в межпланетном пространстве, LightSail 2 совершил управляемый полет на околоземной орбите, а NASA тестирует технологии парусов в миссии ACS3. Вопросов к технологии, впрочем, еще много, отмечает Вячеслав Турышев: надо учиться подбирать правильные материалы, корректно развёртывать парус, управлять его ориентацией и позаботиться о том, чтобы система не сгорела при сближении с Солнцем.

Расчеты говорят, что солнечный парус может дать нужные скорости почти не тратя топлива (лишь для маневров), но при очень жёстких требованиях к удельной массе паруса и траектории сближения с Солнцем, говорит Вячеслав Турышев. В общих чертах миссия может выглядеть так: обычной ракетой на околоземную орбиту выводим телескоп и сложенный парус. Раскладываем, ориентируем, даем толчок, дальше летит само. Причем с ускорением. В зависимости от выбранной схемы, до нужной точки парус доберется за пару десятков лет (плюс-минус). Главный ограничитель — энергетика миссии и то, получится ли разогнать систему до нужной скорости на стадии «толчка».

КУДА СМОТРЕТЬ

Теоретически мы можем послать телескоп в любом направлении, но энергетически выгодно лететь в плоскости планетных орбит (в плоскости эклиптики). Это значит, что нам трудно (пока) пронаблюдать любую звезду, какую пожелаем: кандидат тоже должен лежать в плоскости эклиптики. И таких звезд с интересными планетными системами целых три. Видимо, они и станут первыми кандидатами для демонстрации метода.

Это:

— Звезда Тигардена в созвездии Овна. Расстояние – 12,5 световых лет. Окружена как минимум тремя планетами, из которых две, размером с Землю, в зоне обитаемости (потенциально подходящие условия для развития разумной жизни);

— Звезда Ross 128 в созвездии Девы. Расстояние – 11 световых лет. У нее в зоне обитаемости одна планета чуть тяжелее Земли;

— Звезда TRAPPIST 1 в созвездии Водолея. Расстояние – 40,7 световых лет. Вокруг — около семи планет, напоминающих Землю.

Итак, даже навскидку – нам есть куда направить телескоп, в этих системах — несколько потенциально интересных планет. Но список целей будет уточняться по мере новых открытий и требований геометрии миссии, говорит Вячеслав Турышев.

И как рассматривать будем? А примерно так же, как с Земли. Наводим телескоп, и, выражаясь профессиональным языком, «ведём длительную интеграцию сигнала» (накапливаем фотоны), чтобы на нашей, условно, фотографии, полезный сигнал значительно превысил уровень шума. Как долго придется «интегрировать», проще говоря, выдержка у нашего «фотоаппарата» какая? Это зависит от цели, и от четкости, какая нас устроит, говорит Вячеслав Турышев:

— Речь может идти о месяцах и более. По нашим оценкам, для карты с масштабом порядка десятков километров понадобится около полугода.

Когда телескоп сделает свою работу, он передаст на Землю массив данных (это не один “снимок”, а результаты длительных измерений и их обработка). С расстояния 650-900 астрономических единиц сигнал будет идти около 4–5 суток (скорость света конечна!).

С громадным интересом астрономы откроют файл, и увидят «колечко», в центр которого как бы вставлено Солнце. Теперь изображение надо восстановить с помощью вычислений — через реконструкцию и деконволюцию (термины, хорошо знакомые профессиональным фотографам, но здесь все сложнее), учитывая оптику линзы и шум солнечной короны. Сбор данных пойдёт фактически “пиксель за пикселем”: характерный размер области изображения в фокальной плоскости — около 1,3 км, и аппарат должен точно сканировать её.

И ЧТО МЫ УВИДИМ?

Космический телескоп сможет различить континенты и океаны, береговые линии, ледовые поля, облака, изменения, связанные с временами года. Фото: Paopano/Shutterstock/Fotodom

Хотелось бы рассмотреть «дома», «машины», «людей»… К сожалению, у любого метода есть физические ограничения, говорит Вячеслав Турышев, и гравитационное линзование, хотя оно фантастически «зоркое», не всесильно. Так что ни «людей», ни «дома» — не увидим.

А что?

— Мы легко различим континенты и океаны, береговые линии, ледовые поля, облака, изменения, связанные с временами года, — говорит Вячеслав Турышев, — Городов земного типа, если они есть, даже мегаполисов вроде Москвы или Нью-Йорка, к сожалению, не увидим.

Собственно, речь не о «рассматривании фотографий» в попытке углядеть «живых инопланетян». На научном языке задача обозначается как «поиск техносигнатур» (признаков заведомо искусственных явлений). Такими признаками могут быть необычные «примеси» в спектре планеты, тепловые аномалии, ночные огни. И не «фотографии», а именно эти данные (может, не столь наглядные для широкой публики) станут решающими доказательствами обитаемости планет.

— Поиски подобных признаков требуют гораздо более строгих критериев и проверки, чем “картинка”. Отдельные гипотезы о техносигнатурах обсуждаемы, но заранее обещать, что мы “увидим свет городов”, некорректно без конкретных расчётов чувствительности и ложноположительных сценариев, — говорит Вячеслав Турышев.

РАДОВАТЬСЯ ИЛИ БОЯТЬСЯ?

Допустим, аномалии – вот они. Что делать? Сначала, как принято в науке, все проверим, говорит Вячеслав Турышев, последим за планетой подольше, исключим влияние возможных помех. Ключевой принцип — независимая верификация: повторяемость сигнала, альтернативные объяснения, по возможности — подтверждение другими методами.

Но ведь кто-то да «преждевременно объявит». Те же журналисты. Как отреагируют земляне на убедительные признаки (статистически значимые аномалии) того факта, что мы не одни? Ведь кто-то пришельцев ждет, а кто-то и боится.

— Предсказать реакцию общества невозможно, — признает Вячеслав Турышев, — Ученые могут лишь много-много раз перепроверить данные и воздержаться от сенсационного тона, однако, мы не знаем, какие сдвиги новость вызовет в массовом сознании. Не исключено, что земляне воспрянут духом, начнут думать, как туда лететь, как сигналить.

Все это выглядит как фантастика, тем не менее, проект в стадии активного развития, говорит Вячеслав Турышев:

— Примерно к 2030 году стоит задача продемонстрировать работоспособность ключевых технологий. В таком случае старт возможен около 2035 года, а первые результаты – около 2040 года. Сроки представляются мне реалистичными. Миссия не относится к экстремально дорогим: стоимость пока можно оценивать лишь предварительно — она сильно зависит от архитектуры, энергетики, связи и числа аппаратов и вполне по плечу консорциуму частных инвесторов. Так что мы работаем и полны оптимизма, — резюмирует астроном.