Геометрия против звёзд: почему прямоугольный телескоп — наша главная надежда найти вторую Землю?

01 сен 2025, 23:48

Поиски «Земли 2.0» — одна из самых волнующих задач современной астрономии. Эта идея будоражит воображение не только учёных, но и каждого, кто хоть раз смотрел на ночное небо. Мысль о том, что где-то там, среди мириадов звёзд, вращается планета, похожая на нашу, — возможно, даже с океанами, облаками и жизнью, — стала настоящим Святым Граалем для исследователей космоса.

Однако этот поиск — не просто гонка на дальние дистанции. Главная проблема прячется не в световых годах, а в ослепительном сиянии родительских звёзд. Найти тусклую планету рядом с её светилом — всё равно что пытаться разглядеть светлячка на фоне прожектора маяка. Так в чём же загвоздка, и почему стандартные подходы заводят нас в тупик?

Концептуальный проект прямоугольного космического телескопа, созданный по образцу DICER и JWST. Главное зеркало состоит из двадцати бериллиевых зеркальных сегментов размером 1 м x 1 м. По аналогии с JWST, вторичное зеркало имеет размеры 1 м x 2,3 м и разворачивается на расстоянии около 23 м от главного зеркала со смещением. Солнцезащитный экран предназначен для проведения наблюдений во всех направлениях неба, однако углы положения зеркала будут ограничены в направлениях, образующих большие углы с антисолнечной точкой. Во время запуска две 10-метровые секции зеркал могут быть сложены отражающими поверхностями друг к другу, рядом с опорой вторичного зеркала и сложенным солнцезащитным экраном. После разворачивания двух зеркал балка вторичного зеркала выдвигается, увлекая за собой треугольную часть солнцезащитного экрана. Полезная нагрузка в сложенном виде может поместиться в объёме 11 м x 2,5 м x 2,5 м, что, вероятно, позволит разместить её в ракете-носителе Falcon Heavy.
Автор: Newberg et al Источник: www.frontiersin.org

Слепящий свет родной звезды: фундаментальная проблема

Представьте себе нашу Солнечную систему со стороны. Земля, даже в самом выгодном ракурсе, — крошечная точка, отражающая лишь малую долю солнечного света. В видимом диапазоне Солнце ярче нашей планеты в 10 миллиардов раз. В инфракрасном, где планеты с жидкой водой излучают собственное тепло, разница чуть меньше, но всё равно колоссальна — в миллион раз. Любой телескоп, направленный на такую систему, увидит лишь яркое пятно звезды, в лучах которого бесследно утонет её планета.

Это не просто техническая сложность, а фундаментальный физический закон — дифракционный предел. Он связывает размер зеркала телескопа, длину волны света и способность различать близко расположенные объекты. Проще говоря, чтобы «отделить» планету от звезды, телескопу нужна невероятная «зоркость», которая напрямую зависит от его диаметра.

Расчёты показывают: для уверенного обнаружения землеподобной планеты у звезды в радиусе 30 световых лет нам нужен космический телескоп с зеркалом диаметром не менее 20 метров. А теперь вспомним, что диаметр зеркала «Джеймса Уэбба», самого совершенного и дорогого космического телескопа в истории, — всего 6,5 метра. Его запуск был инженерным подвигом на грани возможного. Создать и вывести на орбиту аппарат в три раза большего диаметра — задача, которая с нынешними технологиями выглядит почти фантастической.

Инженерные хитрости на грани фантастики

Учёные, конечно, не сидели сложа руки. Было предложено несколько остроумных, но чрезвычайно сложных решений.

Синтетическая апертура. Что, если запустить в космос не один гигантский телескоп, а целую «флотилию» маленьких? Если синхронизировать их работу с немыслимой точностью, они смогут действовать как единое огромное зеркало. Звучит здорово, но есть нюанс: чтобы система работала, расстояние между аппаратами нужно поддерживать с точностью до нанометра — размера одной молекулы. Это пока за пределами наших возможностей.
Звёздный щит (Starshade). Другая идея — заслонить свет звезды. Для этого предлагается запустить перед телескопом огромный, похожий на цветок экран диаметром в десятки метров. Он должен находиться на расстоянии в десятки тысяч километров и идеально точно блокировать свет звезды, позволяя свету от планеты беспрепятственно достичь телескопа. Идея элегантна, но логистика чудовищна. Во-первых, это требует запуска сразу двух сложных аппаратов. Во-вторых, чтобы перенацелить телескоп на другую звезду, этот гигантский «зонтик» придётся перемещать на тысячи километров, сжигая немыслимое количество топлива.

Все эти подходы — попытка решить проблему «в лоб», наращивая размеры, точность или количество аппаратов. И все они упираются в технологический или экономический потолок. Но что, если взглянуть на задачу под другим углом?

Схема прямоугольного космического телескопа с традиционной конструкцией зеркал (масштаб не соблюдён). 20-метровое главное зеркало показано с ребра. Вторичное зеркало имеет размеры 1 м x 2,3 м и разворачивается на расстоянии около 23 м. Свет фокусируется на коронограф типа AIC; половина пучка проходит через фазовый сдвиг на pi, а другая — нет. Фазовый сдвиг можно осуществить с помощью перископической оптики или путём пропускания одного из пучков через фокус. Затем пучки рекомбинируются, что приводит к потере всего когерентного света. Поскольку длина пути света от родительской звезды одинакова для обоих путей, он будет устранён как когерентный свет.
Автор: Newberg et al Источник: www.frontiersin.org

Геометрия в помощь: асимметричный ответ

Недавнее предложение группы астрофизиков, опубликованное в Frontiers in Astronomy and Space Sciences, предлагает отказаться от привычной симметрии. Вместо того чтобы строить гигантское круглое зеркало, они предлагают создать… прямоугольное.

Идея на первый взгляд кажется странной, но в ней скрыта гениальная простота. Представьте себе зеркало размером примерно 1 на 20 метров. По общей площади оно сопоставимо с зеркалом «Джеймса Уэбба», что делает его запуск вполне реальным. Но его форма меняет всё.

Высокое разрешение телескопу нужно не во всех направлениях сразу. Ему достаточно иметь его лишь по одной оси — той, что соединяет звезду и планету. Длинная, 20-метровая сторона прямоугольного зеркала как раз и обеспечивает нужную «зоркость» в одном направлении. Да, в перпендикулярном направлении разрешение будет низким, но это и не важно! Главное — разделить два объекта.

А как быть с планетами, которые вращаются вокруг звезды под другими углами? Ответ прост: телескоп нужно просто поворачивать. Вращая аппарат вокруг своей оси, можно «просканировать» всё пространство вокруг звезды и в какой-то момент поймать нужный ракурс, когда длинная сторона зеркала встанет точно на линию «звезда-планета».

Эта асимметричная конструкция превращает почти безнадёжную задачу в выполнимую миссию. По расчётам авторов, такой телескоп сможет менее чем за три года обнаружить половину всех землеподобных планет у 60 ближайших солнцеподобных звёзд. Это означает, что мы могли бы составить карту из примерно 30 потенциально обитаемых миров.

Влияние положения экзопланеты на её обнаружение. Левая панель показывает долю пропускания коронографа AIC. (Максимальная доля пропускания AIC составляет ~0.5, поскольку половина света теряется при объединении двух пучков). Эта доля показана как функция относительного положения планеты на небе по отношению к звезде. Здесь α — это положение на небе, совпадающее с направлением длинной оси зеркала, а β — угол на небе, перпендикулярный этому направлению. Если телескоп вращается, наблюдая за родительской звездой, планета пересекает плоскость пропускания по окружности, радиус которой равен угловому разделению между звездой и планетой. Две окружности, показанные на панели, соответствуют угловым разделениям между звездой и экзопланетой в 0,2″ и 0,4″. При меньших угловых разделениях планета проводит большую часть времени в области низкой пропускаемости (синяя область) фокальной плоскости, где её невозможно обнаружить. Гистограммы на правой панели показывают распределение по угловому расстоянию от родительской звезды для 45 652 смоделированных обитаемых экзопланет, вращающихся вокруг 46 звёзд типов F, G, K на расстоянии до 10 пк (светло-серая гистограмма), а также для 13 624 смоделированных экзопланет, вращающихся вокруг 15 солнцеподобных звёзд на расстоянии до 8 пк (тёмно-серая гистограмма). Моделирование было проведено для 1000 «вселенных», поэтому в нашей Вселенной мы ожидаем найти примерно в 1000 раз меньше экзопланет, чем было смоделировано, то есть около одной обитаемой экзопланеты на родительскую звезду. Моделирование создаёт только круговые орбиты планет, которые мы рассматриваем под произвольным углом наклона, поэтому угловое разделение представляет собой максимальное угловое разделение, которое планета имеет на своей орбите. Смоделированные экзопланеты, имеющие максимальное разделение менее 0,05″, не обнаруживаются; обратите внимание, что целевые родительские звёзды были выбраны по температуре и расстоянию так, чтобы их обитаемые зоны были практически полностью обнаруживаемы.
Автор: Newberg et al Источник: www.frontiersin.org

От проблеска света к новому миру

Самое важное в этой идее — её практичность. Она не требует технологических прорывов или создания фантастических мегаконструкций. Она основана на уже существующих технологиях, но применяет их по-новому, сменив парадигму с «больше» на «умнее».

Обнаружение этих 30 миров станет лишь первым шагом. Следующим этапом будет детальное изучение их атмосфер. Спектральный анализ света, прошедшего через атмосферу экзопланеты, может выявить наличие биосигнатур — химических маркеров жизни. Например, присутствие большого количества кислорода, который на Земле является продуктом фотосинтеза.

И когда мы найдём самого перспективного кандидата — планету с океанами, подходящей температурой и кислородной атмосферой, — человечество сможет поставить перед собой следующую великую цель: отправить к ней исследовательский зонд. Да, такое путешествие займёт десятилетия, но оно впервые в истории будет иметь конкретный, осмысленный адрес.

Возможно, именно смена формы с привычного круга на вытянутый прямоугольник станет тем ключом, который откроет нам дверь к «Земле 2.0» и даст ответ на вечный вопрос: одни ли мы во Вселенной?

Изображение в превью:

Автор: Newberg et al
Источник: www.frontiersin.org

Опубликовано: Мировое обозрение Источник