Kepler ищет тень Земли

Когда в пятницу поздно вечером с космодрома на мысе Канаверал во Флориде стартовала ракета Delta II, в Москве уже была суббота, 7 часов утра. Сколько часов было на других, похожих на Землю планетах, пока никто не знает. Но телескоп Kepler, который Delta II вывела в космос, должен разобраться, сколько таких планет в наших галактических окрестностях.

На сегодняшний день астрономам известны три с половиной сотни внесолнечных планет, однако ни одна из них и близко не похожа на «колыбель человечества». Большинство известных экзопланет – «горячие юпитеры», газовые гиганты вроде крупнейшей планеты Солнечной системы, кружащиеся, в отличие от нашего Юпитера, очень близко к своим звёздам.

Но отчаиваться рано: дело в том, что миры, больше напоминающие Землю, мы до сих пор и не могли обнаружить. Около 80% внесолнечных планет, в том числе и первая, обнаруженная в 1995 году, найдены доплеровским методом. Он более всего чувствителен как раз к массивным телам, находящимся недалеко от своих звёзд и потому способным заметно изменять их скорость. Земля же со своей орбиты меняет скорость Солнца лишь на 10 см/c – заметить в спектре далёкого светила такой сигнал с периодом в один год спектроскопическая техника пока не позволяет.

Задача телескопа Kepler – найти планеты, похожие на Землю, на орбитах, похожих на земную.

Такие, на которых может существовать жидкая вода, – а значит, и жизнь, как мы её знаем. Правда, непосредственно увидеть следы жизни космическая обсерватория не сможет.

В своих поисках Kepler будет полагаться на второй по эффективности метод поиска внесолнечных планет – метод транзитов. Первую планету этим методом 10 лет назад с помощью 10-сантиметрового телескопа открыл 24-летний гарвардский аспирант Давид Шарбонно. Буквально на прошлой неделе американский Национальный научный фонд удостоил его высшей награды для молодых учёных – медали Уотермана. С тех пор таким образом открыты уже более полусотни планет.

Когда какое-нибудь непрозрачное тело проходит по диску звезды, её блеск едва заметно меняется, как меняется яркость ночного фонаря, когда мимо него пролетает маленькая мушка.

Грубо говоря, Kepler будет искать тени, которые отбрасывают планеты в космическое пространство. В надежде, что эти тени лягут на Солнечную систему.

Чтобы тень на нас упала, орбита планеты должна быть наклонена под очень небольшим углом к лучу зрения. Такие шансы невелики – например, земную тень можно разглядеть лишь примерно с каждой сотой звезды в окрестностях Солнца (эти звёзды должны лежать в узкой полоске шириной примерно в полградуса вокруг эклиптики – проекции земной орбиты на небесную сферу). Поэтому Kepler должен наблюдать сразу очень много звёзд. Астрономы решили ограничиться сотней тысяч.

Кроме того, падать на нас будут даже не тени, а полутени: планеты слишком малы, чтобы полностью закрыть своим телом диск далёкого светила. Например, Земля, проходя по диску Солнца, покрывает для далёкого наблюдателя лишь 0,008% его поверхности, и примерно на столько же падает его блеск. А значит, измерять блеск надо с огромной точностью – в тысячные доли процента. Это требует точной и стабильной фотометрии (измерений блеска) – и Kepler сможет измерять изменения блеска звёзд с точностью от 0,002% для самых ярких из 100 тысяч своих целей до 0,008% для более слабых.

Наконец, прохождение тени нужно не проморгать – для стороннего наблюдателя прохождение Земли по диску Солнца длится не более 10 часов, а повторяется оно лишь один раз в год. Кроме того, периоды далёких планет мы не знаем, и когда они пройдут по диску снова, заранее никому неизвестно. Поэтому Kepler'у неплохо бы безотрывно смотреть на небо.

Собственно, этим он и займётся, как только выйдет на орбиту и отладит всю свою аппаратуру: в течение трех с половиной лет (а если программа будет продолжена, то и дольше), телескоп будет пялиться в одну и ту же область неба размером примерно 100 квадратных градусов на границе созвездий Лебедя и Лиры. Прерывать свою вахту космический аппарат будет лишь на несколько часов каждые три месяца, чтобы переориентировать антенну на Землю. Разом сбрасывать всю накопленную информацию на Землю прибор будет примерно раз в месяц.

Ради непрерывности и стабильности наблюдений телескоп выходит на не совсем обычную орбиту.

Kepler будет следовать в нескольких миллионах километров позади Земли по чуть более вытянутой, чем земная, орбите, медленно уплывая от нашей планеты, примерно на 40 тысяч километров в сутки. Здесь он будет постоянно купаться в солнечных лучах, и его нагрев – а значит, и шумы аппаратуры – не будут меняться каждые полчаса из-за непрерывных прохождений через земную тень.

Космический аппарат представляет собой телескоп системы Шмидта, приспособленный для поиска далёких планет из космоса. Через коррекционную «линзу» особого профиля диаметром 95 см свет поступает на главное зеркало телескопа, размер которого – уже 1,3 метра. Отражённый от зеркала свет собирается в главном фокусе, где расположена мозаика из 21 пары специально созданных астрономических ПЗС-матриц, способных зафиксировать почти каждый падающий на них фотон (эффективность человеческого глаза – в десятки раз меньше). Вся мозаика имеет размер примерно 30 см на 30 см и состоит из 95 мегапикселов. Это крупнейшая ПЗС-матрица из всех, когда-либо отправлявшихся в космос.

На 95 мегапикселах разместятся 100 тысяч звёзд, вокруг которых телескоп будет искать планеты. Они расположены на расстояниях от 600 до 3000 световых лет от нас Рукаве Ориона нашей Галактики (Рукав Ориона мы видим и в созвездии Лебедя). 170 тысяч кандидатов на слежение уже отобраны. В течение года телескоп будет следить за каждой из них, а затем сконцентрируется на 100 тысячах, показывающих наименьшие «случайные» колебания блеска (они могут возникать за счёт пятен, вспышек и дрожаний поверхности – в общем, истинной активности самого светила).

Это будут звёзды трёх спектральных классов – жёлтые звёзды класса G, похожие на наше Солнце, белые звёзды класса A, которые ярче и горячее нашего светила, и красные карлики класса M, которые тусклее Солнца. В зависимости от яркости светила, зона жидкой воды находится на разных расстояниях от звезды – она поближе для тусклых звёзд и подальше для ярких.

Продолжительность основной миссии Kepler'а – 3,5 года, а для уверенного обнаружения планеты учёные намерены наблюдать не менее 3 прохождений кандидата по диску светила. Поэтому, если планеты есть вокруг большинства звёзд, в зоне жидкой воды будет больше всего найдено планет у красных и жёлтых звёзд, а планетам, кружащимся по орбитам в более широкой зоне жидкой воды вокруг звёзд класса A, может и не хватить времени на три полных оборота.

Правда, учёные полагают, что уже в первые полгода найдут немало «горячих юпитеров», периоды которых могут составлять лишь несколько суток – по современным оценкам, они кружатся вокруг каждой десятой звезды, а может, и чаще. Четыре таких планеты в поле зрения есть точно – они уже были обнаружены с Земли, и их «переоткрытие» Kepler станет неплохим тестом его возможностей.

Ну а «земель» придётся ждать как минимум пару лет, а скорее, и все три года.

Раньше они просто не успеют совершить три необходимых оборота. Кроме того, учёные собираются не публиковать данные о новых планетах, пока не подтвердят их параметры наблюдениями на крупных телескопах с Земли. Это может ещё несколько затянуть обнародование данных о новых планетах.

Сколько таких планет найдётся – никто сказать пока не может. Если у всех похожих на Солнце звёзд есть похожие на Землю планеты на таких же расстояниях, как Земля, мы сможем увидеть несколько сотен землеподобных планет – тех, которые отбрасывают тень в нашу сторону. Но это максимальное значение. Участники проекта рассчитывают, скорее, на несколько десятков.

Kepler не даст ответ на вопрос, есть ли на этих планетах жизнь, и даже не даст ответа на вопрос, есть ли на них жидкая вода. Однако вода распространена достаточно широко, и большинство учёных полагают, что если орбита планеты проходит в зоне, где может существовать жидкая вода, она там наверняка будет.

Будет ли в этой воде водиться жизнь – другой вопрос.

Для ответа на него надо либо твёрдо верить в неизбежность возникновения жизни в подходящих условиях либо непосредственно увидеть следы этой жизни. Поскольку упомянутые «подходящие», достаточные для зарождения жизни условия нам всё ещё неизвестны, придётся проверять. Например, с помощью наблюдений спектра планеты; правда, для этого потребуются более мощные, чем Kepler, инструменты.

А вот если Kepler не найдёт ни одной хотя бы потенциально пригодной для жизни планеты, это будет, наверное, ещё более впечатляющим и неожиданным достижением. Ведь в этом случае жизнь в том виде, как мы её знаем, должна быть очень редким явлением во Вселенной. И на нас лежит тем большая ответственность сохранить её.