Охота на кислород: новый гигантский телескоп с трудом найдет воздух для дыхания на других планетах

Группа астрофизиков под руководством Эванна Курзава-Феррандеса из Лаборатории реактивного движения NASA провела моделирование возможностей будущего Чрезвычайно большого телескопа (ELT) для поиска биосигналов на ближайших экзопланетах. Исследователи выяснили, что инструмент ANDES сможет уверенно обнаруживать воду, метан и углекислый газ, но кислород окажется самой сложной целью для наблюдений. Препринт работы опубликован на сервере arXiv.

В чилийской пустыне уже идет строительство телескопа, который станет самым большим оптическим инструментом на Земле – его главное зеркало достигнет 39 метров в поперечнике. Официально он называется Чрезвычайно большим телескопом, хотя многие шутят, что к моменту запуска в 2030-х годах это имя наверняка заменят на что-то более поэтичное. Но пока инженеры сосредоточены на другом: как именно этот гигант поможет нам найти признаки жизни на других планетах.

Свежая работа американских ученых как раз посвящена этому вопросу. Они взяли один из ключевых приборов будущего телескопа – спектрограф ANDES, и проверили в компьютерной симуляции, насколько хорошо он сможет различать важные газы в атмосферах каменистых экзопланет. Эти газы – углекислота, водяной пар, метан и кислород имеют уникальные спектральные линии, словно штрих-коды. Если планета проходит перед своей звездой, часть звездного света фильтруется через ее атмосферу, и спектрограф может расшифровать этот «отпечаток».

Для моделирования исследователи отобрали восемнадцать реальных планет, которые похожи на Землю по размеру и массе и регулярно совершают такие транзиты. В их число вошли несколько миров из знаменитой системы TRAPPIST-1 – одного из самых перспективных мест для поиска жизни за пределами Солнечной системы. Однако на пути у астрономов стоит вечная помеха – земная атмосфера, которая искажает сигнал. Чтобы очистить данные, авторы применили сложный байесовский метод фильтрации шумов, но даже в таких идеализированных условиях результаты оказались неоднозначными.

Водяной пар, к примеру, обнаруживается довольно легко. Для планет TRAPPIST-1 потребуется от десяти до девятнадцати транзитов, чтобы с высокой вероятностью подтвердить его наличие. Для самой дальней планеты это значит чуть больше года наблюдений – срок, который астрономы считают вполне приемлемым. А вот кислород, который на Земле активно выделяют растения и цианобактерии, оказался настоящей головной болью. Чтобы его заметить, нужно в четыре раза больше транзитов, то есть в лучшем случае около тридцати шести для планеты TRAPPIST-1d, что соответствует примерно полутора годам непрерывного слежения.

Но хуже всего то, что из восемнадцати планет только для восьми прибор сможет дать уверенный результат хотя бы по одному газу в пределах ста транзитов. Это означает, что большинство наших ближайших каменистых соседей, скорее всего, останутся «непрочитанными»: либо их атмосферы слишком тонкие, либо сигнал тонет в неизбежных помехах.

Авторы сами признают, что их расчеты довольно оптимистичны. Они исходили из того, что на планетах нет облаков и дымки, хотя реальные экзопланеты могут быть облачные. Они также смогли в симуляции легко убрать влияние земной атмосферы, но на практике достичь такой чистоты сигнала это огромная вычислительная проблема. Кроме того, они не учли вспышки на звездах и звездные пятна, которые характерны для многих звезд с планетами и создают дополнительный шум, с которым описанный метод не справляется.

Несмотря на все эти оговорки, данная работа остается одной из самых реалистичных и математически обоснованных оценок того, на что способен ELT. У ANDES есть и другие режимы работы, например, он сможет улавливать свет, отраженный от дневной стороны планет, которые не проходят перед звездой.

В будущем планируется объединять оба подхода, чтобы повысить надежность обнаружения. До первого света телескопа остается еще несколько лет, и мы обязательно увидим новые прогнозы, но уже сейчас понятно главное: поиск биосигналов окажется более трудоемким, чем казалось, и каждый подтвержденный результат потребует долгого и терпеливого наблюдения.

В результате моделирование показало, что будущий телескоп ELT с инструментом ANDES сможет довольно легко находить воду в атмосферах ближайших каменистых экзопланет, но кислород потребует в четыре раза больше времени и будет доступен лишь для немногих целей. Из восемнадцати рассмотренных миров только восемь дадут четкий сигнал хотя бы по одному газу в разумные сроки. При этом реальные наблюдения осложнятся облаками, звездной активностью и атмосферными помехами, которые в расчетах были опущены. Так что перспективы поиска жизни впечатляют, но требуют терпения и значительных усилий по обработке данных.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях