Как увидеть светлячка рядом с прожектором? Ученые учатся видеть экзопланеты сквозь ослепительный свет звезд

Представьте: вы пытаетесь разглядеть светлячка, мерцающего рядом с мощным прожектором. Трудно, правда? Астрономы сталкиваются с похожей проблемой, когда пытаются увидеть экзопланеты — планеты, вращающиеся вокруг далеких звезд. Ослепительный свет звезды затмевает слабый свет, отраженный планетой, делая ее практически невидимой.

Но ученые не сдаются! В лабораториях по всему миру кипит работа над технологиями, способными «приглушить» звездный свет и раскрыть тайны экзопланет. Два основных подхода — это коронографы и звездные экраны.

Коронографы: игра в прятки со светом

Коронографы — это сложные оптические системы, встроенные в телескоп. Их «предок», изобретенный Бернаром Лио почти сто лет назад, позволил впервые увидеть солнечную корону, скрытую за ярким светом солнечного диска. Современные коронографы действуют по схожему принципу: блокируя прямой свет звезды, они «открывают» для нас слабый свет планеты.

Но не все так просто. Существует множество разновидностей коронографов, каждая со своими особенностями. Чтобы сравнить их эффективность, ученые используют три ключевых параметра: «сырой» контраст (степень подавления звездного света), пропускную способность (доля света планеты, проходящая через коронограф) и контраст после калибровки (минимальное отношение яркости планеты к яркости звезды, которое можно зафиксировать после обработки изображений).

Рекорды контраста и вызовы сегментированных зеркал

Некоторые типы коронографов уже продемонстрировали впечатляющие результаты в лабораторных условиях, достигая «сырого» контраста на уровне 10-10. Это все равно, что разглядеть светлячка, мерцающего рядом с прожектором, в 10 миллиардов раз более ярким! Однако эти эксперименты проводились на модели телескопа с простым круглым зеркалом. А большинство современных больших телескопов используют сегментированные зеркала, состоящие из множества отдельных сегментов. Зазоры между сегментами и неровности их поверхности создают дополнительные дифракционные эффекты, снижая контраст.

Ученые активно работают над новыми типами коронографов, способными эффективно подавлять свет звезды на сегментированных зеркалах. Пока результаты скромнее, но прогресс очевиден.

Звездные экраны: блокировка света на подступах к телескопу

Звездные экраны представляют собой огромные структуры сложной формы, которые располагаются на расстоянии десятков тысяч километров от телескопа. Они блокируют свет звезды еще до того, как он попадет в телескоп, создавая искусственное затмение.

Лабораторные испытания уменьшенных моделей звездных экранов подтвердили их высокую эффективность: контраст достиг невероятного уровня 10-11. Однако создание и запуск полноразмерного звездного экрана — технически сложная и дорогостоящая задача.

Habitable Worlds Observatory: в поисках братьев по разуму

В 2021 году в США была предложена концепция новой космической обсерватории — Habitable Worlds Observatory (HWO). Ее цель — поиск и изучение экзопланет в зонах обитаемости, где возможна жизнь.

HWO будет оснащена мощной системой подавления света звезд, которая позволит увидеть экзопланеты, свет которых в 10 миллиардов раз слабее света звезды. Это даст ученым возможность изучать атмосферы экзопланет, анализировать их состав и искать «биосигнатуры» — признаки жизни.

Впереди — новые открытия

Создание системы подавления света звезд для HWO — вызов для инженеров и ученых. Необходимо усовершенствовать существующие технологии и разработать новые, обеспечить беспрецедентную стабильность оптических систем и создать инновационные алгоритмы обработки данных.

Но игра стоит свеч. HWO может привести к открытию внеземной жизни и навсегда изменить наше понимание Вселенной и места человечества в ней.

Почему для поиска экзопланет важен именно «сырой» контраст, а не просто контраст после обработки изображений? Разве нельзя просто «вычесть» свет звезды из изображения?

«Вычесть» свет звезды полностью невозможно. Даже самые сложные алгоритмы обработки изображений оставляют небольшие остаточные «артефакты» — пятна света, которые могут быть приняты за планету. «Сырой» контраст характеризует эффективность оптической системы в подавлении света звезды до обработки изображений. Чем он ниже, тем менее заметны остаточные «артефакты» и тем надежнее обнаружение планеты.

Звездные экраны показывают гораздо лучший контраст, чем коронографы. Почему же ученые не отказываются от коронографов и не сосредотачиваются только на звездных экранах?

У звездных экранов есть недостатки. Во-первых, они очень большие (десятки метров в диаметре) и тяжелые, что усложняет их запуск и размещение в космосе. Во-вторых, звездный экран должен находиться на огромном расстоянии от телескопа (десятки тысяч километров) и точно согласовывать свое положение с ним, что требует сложной системы управления. В-третьих, звездный экран не может быстро переключаться между разными звездами, что ограничивает число наблюдаемых объектов. Коронографы, напротив, более компактны, легче в управлении и позволяют быстро переключаться между целями.

В статье упоминается, что наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне более сложны, чем в видимом. Почему? Ведь планеты излучают больше тепла в ИК-диапазоне, что должно облегчать их обнаружение?

Хотя планеты действительно излучают больше тепла в ИК-диапазоне, в этом же диапазоне сильнее светится и тепловая пыль в планетной системе — так называемая экзозодиакальная пыль. Она создает яркий фон, на котором трудно разглядеть слабый свет планеты. Кроме того, в ИК-диапазоне снижается разрешающая способность телескопа, что затрудняет разделение света звезды и планеты.

Если HWO удастся обнаружить экзопланету с признаками жизни, какие дальнейшие шаги предпримут ученые? Сможем ли мы когда-нибудь «посетить» такую планету?

Открытие экзопланеты с признаками жизни станет сенсацией и положит начало новому этапу исследований. Ученые сосредоточат свои усилия на детальном изучении атмосферы планеты, пытаясь определить состав газов, температуру, давление и другие параметры. Будут разрабатываться новые телескопы и инструменты, способные получить более подробную информацию о планете. «Посещение» такой планеты в обозримом будущем крайне маловероятно, учитывая огромные расстояния до других звездных систем. Однако мы сможем «увидеть» ее и узнать о ней гораздо больше, чем когда-либо прежде.