NASA будує новий космічний телескоп для пошуку життя на сусідніх планетах. Що він побачить на давній Землі?

Космічний телескоп NASA Habitable Worlds Observatory стане наступним флагманом агентства, розробленим для того, щоб зробити те, що жоден попередній інструмент не зміг: безпосередньо зобразити планети, подібні до Землі, навколо сусідніх зірок і проаналізувати світло, що відбивається від їх атмосфери, на наявність ознак життя.

Місія ще за кілька років до запуску. Але вибір дизайну, який робиться зараз, визначить, що вона насправді зможе виявити. Нова стаття, опублікована на сервері попередніх версій arXiv, розглядає один з найважливіших з цих виборів: спектральну роздільну здатність.

Автори дослідження провели ретельний аналіз того, наскільки точно Habitable Worlds Observatory (HWO) повинен розділити світло від далекої Землі, щоб впевнено виявити біосигнатури в її атмосфері. Це питання важливіше, ніж ви могли б подумати.

Спектральна роздільна здатність — це те, наскільки добре телескоп може розрізняти сусідні кольори світла. Вища роздільна здатність означає більш детальний атмосферний відбиток, але це також означає довші часи експозиції, більше шуму детектора і складнішу інженерію. Якщо підвищити роздільну здатність занадто високо, це може зірвати графік спостережень місії. Якщо знизити занадто низько, ви не зможете відрізнити населений планету від безплідного.

Щоб оцінити, який тип спектральної роздільної здатності буде потрібен для виявлення біологічних сигнатур на нашій планеті в її ранньому розвитку, команда змоделювала, що HWO побачить, спостерігаючи за версіями Землі через геологічний час.

Атмосфера Землі змінилася драматично протягом її історії. Архейська Земля, до того як з'явилися рослини та ціанобактерії, майже не містила кисню. Протерозойська Земля мала деяку кількість, але не багато. Фанерозойська Земля, яку ми знаємо, досягла приблизно 20 відсотків кисню, коли складне життя закріпилося. Кожен з цих етапів залишає різний спектральний підпис, і HWO потрібно буде розпізнати всі три.

Основні цифри вражають своєю скромністю. Щоб виявити молекулярний кисень, золоту стандартну біосигнатуру на планеті, подібній до нашої, HWO потрібна роздільна здатність видимого світла приблизно 140. Озон з'являється при набагато нижчій роздільній здатності близько 7 в ультрафіолетовому діапазоні. Ці цифри цілком в межах можливостей сучасних оптичних дизайнів.

Інфрачервоне випромінювання є складнішим. Вуглекислий газ і оксид вуглецю мають спектральні особливості, які перекриваються, і якщо HWO не зможе їх розрізнити, він може сплутати вулканічно активну мертву планету з живою. Команда виявила, що роздільна здатність ближнього інфрачервоного діапазону принаймні 40 є мінімальною, необхідною для розриву цього збігу. Щоб охарактеризувати атмосферу протягом усієї геологічної історії Землі, вони рекомендують номінальну роздільну здатність інфрачервоного діапазону близько 70.

Як вони отримали ці цифри? Вони згенерували синтетичні спостереження HWO при роздільних здатностях від 20 до 5,000, а потім пропустили кожен симульований спектр через алгоритми відновлення, щоб побачити, що насправді можна вивести про основну атмосферу. Вони врахували шум детектора, час експозиції та антибіосигнатури (атмосферні особливості, які свідчать про відсутність життя).

Існують реальні інженерні обмеження. Темний струм детекторів HWO, тихий фоновий шум електронів, який генерує будь-який детектор навіть без світла, що на нього потрапляє, встановлює жорсткий поріг на те, що може дати висока роздільна здатність. Значне підвищення виявлення кисню за межами базового рівня вимагатиме зменшення цього темного струму приблизно в десять разів. А підвищення роздільної здатності для кисню приблизно подвоїть час експозиції, необхідний для водяної пари.

Автори обережні щодо меж свого аналізу. Їх абсолютні часи експозиції можуть бути помилковими приблизно на 20 відсотків. А більш філософське застереження — це те, що завжди супроводжувало цю роботу: навіть впевнене виявлення кисню, озону, метану та води в атмосфері екзопланети не є тим самим, що впевнене виявлення життя.

У Всесвіті є небіологічні способи утворення будь-якого з цих газів. Завдання HWO не полягає в тому, щоб оголосити перемогу самостійно: його мета — знайти кандидати, які заслуговують на подальше дослідження.

Ця стаття надає чітку, кількісну мету для інженерів, які будують інструмент. Роздільна здатність 140 у видимому, 7 в ультрафіолетовому та 70 у ближньому інфрачервоному, з достатньо низьким темним струмом, щоб зробити виявлення кисню рутинним. Це специфікація для телескопа, який, в принципі, може знайти ознаки життя на іншому світі.

Тепер нам просто потрібно його побудувати.