Оптическая инженерия, необходимая для фотографирования двойника Земли

США - Информационное агентство Эхбари

Точная оптика: ключ к получению изображений двойника Земли

Поскольку стремление человечества понять наше место в космосе усиливается, будущая Обсерватория обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory, HWO) служит маяком будущих открытий. Пока этот амбициозный проект переходит от теоретических концепций к ощутимой реальности, различные рабочие группы тщательно определяют и проектируют важнейшие компоненты, которые составят эту обсерваторию экзопланет следующего поколения. Недавняя статья, написанная исследователями из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, проливает критический свет на фундаментальный аспект проектирования HWO: конкретные требования к оптической инженерии, необходимые для получения подробных изображений потенциально земных планет, часто называемых «двойниками Земли».

Это исследование, основанное на предыдущих работах, касающихся миссии HWO, фокусируется на способности телескопа различать ключевые атмосферные газы: диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и водяной пар (H2O) на далеких мирах. Для достижения этой точной аналитической мощности исследователи определили специфическую полосу длин волн, к которой инженеры должны спроектировать чувствительность прибора. Способность точно измерять эти газы имеет первостепенное значение в поиске потенциальных биосигнатур – явных признаков жизни.

Инфракрасная визуализация широко считается «святым Граалем» в наблюдении за экзопланетами. Многие из наиболее убедительных потенциальных биосигнатур, такие как определенные атмосферные газы, оставляют отчетливые спектрографические отпечатки в инфракрасном спектре. Однако эта возможность сопряжена со значительным компромиссом: для захвата широкого диапазона инфракрасных длин волн система визуализации должна быть охлаждена до чрезвычайно низких температур. Это экстремальное охлаждение необходимо для устранения шума, вызванного собственным теплом прибора, которое в противном случае могло бы заглушить слабые сигналы, исходящие от далеких планет.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), еще одна известная инфракрасная обсерватория, решает эту проблему с помощью сложной и дорогостоящей системы криогенного охлаждения. Несмотря на свою эффективность, эта система стала основной причиной значительных задержек запуска JWST и превышения бюджета. Разработчики HWO стремятся избежать подобной участи, отказываясь от необходимости использования сложного криогенного охладительного устройства.

Однако этот выбор дизайна вносит свои проблемы, в первую очередь – проблему перекрытия спектров. Метан и диоксид углерода являются двумя наиболее востребованными биосигнатурами, и их совместное присутствие особенно важно. Углекислый газ, интересно, является ключевым показателем при низких концентрациях. Он обилен на «мертвых» мирах, таких как Марс и Венера, но на Земле большая его часть поглощается нашими океанами и биосферой. Следовательно, обнаружение каменистой планеты в другой солнечной системе со значительно низким уровнем CO2 было бы крупным открытием.

Метан, напротив, значим, когда присутствует в изобилии. Он легко разрушается в атмосфере фотохимическими процессами, что означает, что он обычно недолго сохраняется в атмосферах экзопланет, если нет постоянного источника, восполняющего его. На Земле жизнь является основным источником метана, хотя небиологические процессы также могут его производить. Важно отметить, что для того, чтобы метан был сильной биосигнатурой, его источник должен быть непрерывным. Многие абиотические источники истощаются в течение геологических периодов времени, что делает устойчивый метан более сильным показателем потенциальной биологической активности.

Настоящим «дымящимся ружьем» для обнаружения жизни является одновременное обнаружение обоих газов – планета с CO2 и обильным метаном, но без значительного количества кислорода. В таком сценарии вероятность того, что живые организмы производят эти газы, высока. Тем не менее, одновременное наблюдение метана и диоксида углерода в атмосфере экзопланеты представляет собой серьезное препятствие для многих телескопов из-за перекрытия их спектральных сигнатур.

Согласно исследовательской работе, высокие концентрации метана гораздо сильнее мешают обнаружению диоксида углерода, чем даже высокие уровни водяного пара. Спектральные сигнатуры метана фактически «насыщают» области, где диоксид углерода был бы иначе четко виден. Чтобы проиллюстрировать этот момент, исследователи использовали статистическую модель, известную как Байесовский анализ для идентификации биосигнатур экзоземель дистанционно (Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification of exoEarths – BARBIE). Эта модель позволила им имитировать спектральные сигнатуры различных эволюционных фаз Земли и Венеры, предоставляя эмпирические данные для их анализа. Данное исследование обозначено как BARBIE IV, следуя за тремя предыдущими работами, которые анализировали различные компромиссы в спектральной чувствительности HWO.

Пожалуй, наиболее важным результатом этого анализа является установление верхнего предела обнаружения для инфракрасного датчика HWO. Этот предел разработан таким образом, чтобы избежать необходимости в массивной системе охлаждения, но при этом обеспечить достаточную дифференциацию между диоксидом углерода и метаном без необходимости чрезмерно длительных наблюдений. Определена "оптимальная точка" для полосы пропускания – 1,52 микрометра (мкм), с окном полосы пропускания 20%, что устанавливает верхний предел рабочего диапазона телескопа на уровне 1,68 мкм.

Определение четких требований является критически важным предварительным условием для любого крупного научного начинания, и этот установленный предел длины волны представляет собой значительный шаг вперед для проекта HWO. Исключение необходимости в сложной системе криогенного охлаждения сделает проектирование обсерватории значительно менее сложным. Это упрощение позволит перенести технический фокус на сложные оптические и коронографические технологии, необходимые для обеспечения того, чтобы это чудо техники могло эффективно «видеть» свои цели. Когда HWO в конечном итоге будет запущен, предположительно в 2030-х годах, его успех в идентификации потенциально обитаемых экзопланет будет, в значительной степени, обусловлен этими основополагающими исследовательскими работами, которые тщательно определяют его инструментальные возможности.

Информационное агентство Эхбари