NASA строит новый космический телескоп для поиска жизни на близких планетах. Что он увидит на древней Земле?

Космическая обсерватория обитаемых миров NASA — это следующий флагманский космический телескоп агентства, предназначенный для выполнения задачи, которую не смогли решить ни один из предыдущих инструментов: напрямую изображать планеты, похожие на Землю, вокруг близких звезд и анализировать свет, отражающийся от их атмосфер, в поисках признаков жизни.

Миссия еще за несколько лет до запуска. Но выбор дизайна, который делается сейчас, определит, что она на самом деле сможет обнаружить. Новая статья, опубликованная на сервере препринтов arXiv, рассматривает один из самых значительных из этих выборов: спектральное разрешение.

Авторы исследования провели тщательный анализ того, насколько тонко Космическая обсерватория обитаемых миров (HWO) должна будет разделить свет от далекой Земли, чтобы уверенно обнаружить биосигнатуры в ее атмосфере. Этот вопрос важен больше, чем вы могли бы подумать.

Спектральное разрешение — это то, насколько хорошо телескоп может различать соседние цвета света. Более высокое разрешение означает более детальный атмосферный отпечаток, но это также означает более длительное время экспозиции, больше шумов детектора и более сложную инженерию. Если слишком сильно увеличить разрешение, это может сорвать график наблюдений миссии. Если слишком сильно уменьшить, вы не сможете отличить обитаемую планету от безжизненной.

Чтобы оценить, какое спектральное разрешение потребуется для обнаружения биологических сигнатур на нашей планете в ее ранние времена, команда смоделировала, что HWO увидит, глядя на версии Земли через геологическое время.

Атмосфера Земли значительно изменилась за свою историю. Архейская Земля, до появления растений и цианобактерий, имела почти нулевое содержание кислорода. Протерозойская Земля имела немного кислорода, но не много. Фанерозойская Земля, которую мы знаем, достигла примерно 20 процентов кислорода, когда сложная жизнь начала развиваться. Каждая из этих эпох оставляет свой спектральный след, и HWO нужно будет распознать все три.

Основные цифры удивительно скромны. Чтобы обнаружить молекулярный кислород, стандартную биосигнатуру на планете, подобной нашей, HWO необходимо разрешение в видимом свете примерно 140. Озон появляется при гораздо более низком разрешении около 7 в ультрафиолете. Эти цифры находятся в пределах возможностей современных оптических конструкций.

Инфракрасное разрешение сложнее. У углекислого газа и монооксида углерода есть спектральные особенности, которые перекрываются, и если HWO не сможет их различить, он может ошибочно принять вулканически активную мертвую планету за живую. Команда обнаружила, что минимальное разрешение в ближнем инфракрасном диапазоне составляет как минимум 40, чтобы преодолеть эту неоднозначность. Для характеристики атмосферы на протяжении всей геологической истории Земли они рекомендуют номинальное инфракрасное разрешение около 70.

Как они пришли к этим цифрам? Они сгенерировали синтетические наблюдения HWO при разрешениях от 20 до 5000, затем пропустили каждый смоделированный спектр через алгоритмы извлечения, чтобы увидеть, что можно на самом деле вывести о подлежащей атмосфере. Они учли шум детектора, время экспозиции и антибиосигнатуры (атмосферные особенности, которые могут свидетельствовать против наличия жизни).

Существуют реальные инженерные ограничения. Темный ток детекторов HWO, небольшой фоновый шум электронов, который любой детектор генерирует даже при отсутствии света, устанавливает жесткий предел на то, что может дать высокое разрешение. Значительное увеличение обнаружения кислорода по сравнению с базовым уровнем потребует уменьшения этого темного тока примерно в десять раз. А увеличение разрешения для кислорода примерно удвоит время экспозиции, необходимое для водяного пара.

Авторы осторожны в отношении пределов своего анализа. Их абсолютные времена экспозиции могут быть ошибочными примерно на 20 процентов. А более философское предостережение — это то, что всегда сопровождало эту работу: даже уверенное обнаружение кислорода, озона, метана и воды в атмосфере экзопланеты не является тем же самым, что и уверенное обнаружение жизни.

Во Вселенной есть небиологические способы создания любого из этих газов. Задача HWO не в том, чтобы объявить победу самостоятельно: она должна найти кандидатов, которые стоит изучить дальше.

Что эта статья предоставляет, так это четкую количественную цель для инженеров, строящих инструмент. Разрешение 140 в видимом диапазоне, 7 в ультрафиолете и 70 в ближнем инфракрасном диапазоне, с достаточно низким темным током, чтобы сделать обнаружение кислорода рутинным. Это спецификация для телескопа, который, в принципе, мог бы найти признаки жизни на другом мире.

Теперь нам просто нужно его построить.