'Высокое разрешение' — секрет поиска внеземной жизни с помощью следующего великого космического телескопа

Мы все еще находимся на этапе определения Обсерватории обитаемых миров (HWO), но кажется, что каждую неделю новая исследовательская группа публикует статью, которая помогает внести вклад в то, что формируется как один из самых важных космических телескопов 2040-х годов. Новая статья от команды исследователей под руководством Дэниела Джаффе из Техасского университета в Остине вносит свой вклад в эту продолжающуюся работу по определению, утверждая, что пришло время HWO принять возможность высокоразрешающей ближней ИК-спектроскопии, - что звучит замечательно на практике, но до сих пор не было реализовано из-за технологических ограничений. Однако, согласно статье, два недавних изобретения наконец делают рабочую версию охотника за экзопланетами с чрезвычайно высоким разрешением жизнеспособной.

Текущий рекордсмен по высокому разрешению инфракрасного сенсора в космосе — это, как и следовало ожидать, Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Тем не менее, его разрешающая способность около 3600 считается низкой или средней по сравнению с наземными сенсорами. На этом уровне разрешения четкие спектральные линии, необходимые для различения критически важных компонентов атмосферы экзопланеты, таких как CO2, становятся размытыми. Кроме того, это еще больше усложняет фильтрацию света от звезды-хозяина экзопланеты, что приводит к проблеме соотношения сигнала и шума, которая может стереть критически важные данные.

Доктор Джаффе и его команда считают, что пришло время для обновления. Они полагают, что команде HWO следует оснастить космический аппарат высокоразрешающим спектрографом с разрешением 45000, что более чем в двенадцать раз превышает разрешающую способность JWST. Это предоставляет три огромных преимущества для астрономов. Во-первых, и это наиболее очевидно, это позволяет обнаруживать молекулы с "слабыми" спектральными подписями, такими как CO2, что значительно увеличивает соотношение сигнала к шуму (SNR).

Фрейзер обсуждает ограничения HWO.

Кроме молекул, это также может помочь ученым отслеживать погоду на этих экзопланетах. Измеряя точные доплеровские сдвиги в этих спектральных линиях, исследователи могут определить орбитальные скорости - другими словами, как движется погода на планете, находящейся световые годы от нас. Для этого потребуется коронограф, чтобы заблокировать свет, приходящий непосредственно от звезды экзопланеты, но ни один коронограф не идеален и всегда пропустит немного звездного света. Высокое разрешение спектрографов значительно упростит отделение этого "шума" от сигнала света от самой планеты.

Все это звучит замечательно в теории, так почему мы еще не сделали этого? Проще говоря, технологии были слишком большими, слишком тяжелыми и слишком подверженными шуму, чтобы быть полезными. Вес является критическим фактором для любого телескопа, так как он напрямую связан с затратами на миссию. А чувствительность к "темному току" (т.е. электрическому току, возникающему даже при отсутствии света, попадающего на сенсор) делала большую часть данных, собранных более старыми поколениями высокоразрешающих сенсоров, бесполезными.

Тем не менее, согласно доктору Джаффе и его команде, эти проблемы в значительной степени были решены - по крайней мере, на Земле. Первое связано с новой технологией, называемой кремниевыми погружаемыми решетками и гризмами. Они заставляют свет дифрагировать внутри высокоиндексного материала, такого как кремний, в отличие от традиционных решеток, которые отбрасывают свет от зеркальной поверхности. Это позволяет инженерам значительно уменьшить размер (а значит, и вес) спектрографа и имеет дополнительное преимущество в том, что не требует никаких движущихся частей для регулировки зеркал.

Фрейзер берет интервью у Ли Файнберга, главного архитектора HWO.

Второй технологический прорыв связан с массивами лавинных фотодиодов (APAs). Эти новые детекторы имеют почти нулевой "темный ток", и шум, вводимый самим сенсором, меньше, чем сигнал, вводимый одним фотоном. Эти базовые показатели делают гораздо более осуществимым захват нужного типа света от экзопланеты и обеспечивают его различение от звездного света ее звезды-хозяина.

Тем не менее, хотя эти технологии были тщательно протестированы на Земле, например, в инструменте IGRINS в телескопе Gemini South, их все еще необходимо протестировать в космосе, прежде чем они могут быть приняты в такую высокопрофильную миссию, как HWO. С этой целью доктор Джаффе и его команда предлагают провести демонстрационную миссию с целью тестирования как кремниевых погружаемых решеток, так и APAs в космосе перед их принятием в миссию класса Flagship.

Имейте в виду, что мы все еще находимся только на этапе определения цикла разработки HWO. Могут пройти двадцать лет, прежде чем этот телескоп будет запущен. Так что у нас будет достаточно времени для такой миссии, если она будет профинансирована. На данный момент, однако, нет четкого пути к этому финансированию, так что, возможно, это будет еще одна информативная статья, помогающая определить, что, безусловно, станет знаковым телескопом. Но без такой демонстрационной миссии и окончательного принятия высокоразрешающего спектрографа трудно представить, как HWO сможет реализовать свой полный потенциал.