В новом выпуске программы StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и комик Мэтт Киршен обсуждают будущее астробиологии и экзопланетологии с профессором Евгенией Школьник. Главными темами диалога стали подготовка следующей флагманской космической миссии NASA — Habitable Worlds Observatory («Обсерватория обитаемых миров»), работа миниатюрного ультрафиолетового телескопа SPARCS и фундаментальный вопрос о том, что именно делает планету по-настоящему пригодной для зарождения и поддержания жизни.
🔭 От миниатюрного спутника к флагманской обсерватории 0:00
Человечество вступило в эпоху, когда поиск внеземной жизни перестал быть областью научной фантастики и превратился в прикладную инженерную задачу . Евгения Школьник — профессор астрофизики в Школе исследований Земли и космоса при Университете штата Аризона (ASU), приглашённый научный сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), сотрудник Гарвардского астрономического отделения и сопредседатель научной группы CSIT (Community Science and Instrument Team) миссии Habitable Worlds Observatory .
Одним из ключевых проектов под руководством Школьник стал SPARCS (Star-Planet Activity Research CubeSat) . В отличие от многомиллиардных флагманов, это скромный спутник формата CubeSat, оснащённый ультрафиолетовым телескопом с зеркалом диаметром всего 9 сантиметров (около 4 дюймов) . Стоимость миссии составляет около 10 миллионов долларов, а сам аппарат по размерам сопоставим с небольшим рюкзаком .
Основная цель SPARCS — изучение ультрафиолетового излучения звёзд, вокруг которых уже обнаружены экзопланеты . Как подчёркивает Школьник, телескоп не занимается непосредственным поиском новых планет . Высокоэнергетические ультрафиолетовые фотоны способны радикально менять химический состав планетных атмосфер или вовсе сдувать их . Понимание ультрафиолетового профиля родительских звёзд необходимо для того, чтобы в будущем корректно интерпретировать сигналы, получаемые более крупными обсерваториями.
За последние десятилетия астрономия совершила грандиозный статистический скачок :
- Ещё в конце XX века наука не знала достоверно ни одной экзопланеты за пределами Солнечной системы .
- На текущий момент подтверждено свыше 6 000 экзопланет .
- Статистические экстраполяции показывают, что в среднем практически каждая звезда в нашей галактике обладает как минимум одной планетой .
💧 Что делает мир «обитаемым»: зоны Златовласки и биологическая предвзятость 6:13
Понятие «обитаемости» (habitability) часто вызывает споры и упрощения . Популярный термин «зона Златовласки» (Goldilocks Zone) описывает лишь температурный диапазон вокруг звезды, где не слишком горячо и не слишком холодно . Однако, как замечает Евгения Школьник, нахождение в этой зоне — лишь базовое условие .
Настоящая обитаемость требует сложного комплекса факторов :
- Реальное физическое наличие воды на поверхности, а не просто теоретическая возможность её конденсации .
- Плотная атмосфера, способная удерживать жидкую воду от мгновенного испарения в вакуум .
- Долговременная стабильность родительской звезды, не уничтожающая формирующуюся оболочку .
Нил Деграсс Тайсон заостряет внимание на разнице между понятиями: «обитаемый» (habitable) мир вовсе не означает «населённый» (inhabited) . Кроме того, неизбежно встаёт вопрос о земном шовинизме . Современная астробиология вынуждена отталкиваться от того, что известно: от органической химии на основе углерода и жидкой воды .
На Земле экстремофилы выживают в жерлах гидротермальных источников и вблизи вулканов при температурах, которые раньше считались стерилизующими . Тем не менее все они используют единый механизм ДНК . Мэтт Киршен и Нил Деграсс Тайсон шутят, что незнание биологии иногда помогает задавать вопросы «без предвзятости» — например, о принципиальной возможности жизни без нуклеиновых кислот . Школьник парирует, что поиск атмосферных биосигнатур (спектральных химических следов биологической активности) пока остаётся единственным доступным дистанционным методом, поэтому учёные ищут уже понятные паттерны взаимодействий биосферы и атмосферы .
🛰️ Обсерватория обитаемых миров (HWO): гигант в точке Лагранжа L2 13:40
Следующим колоссальным шагом NASA станет космический телескоп Habitable Worlds Observatory (HWO) . Это флагманская миссия следующего поколения, стоящая в одном ряду с «Хабблом» (Hubble), «Джеймсом Уэббом» (JWST) и готовящимся к запуску римским телескопом «Нэнси Грейс Роман» (Nancy Grace Roman Space Telescope) .
Рекомендация о разработке HWO была выработана в ходе десятилетнего обзора американской астрофизики Astro2020 Decadal Survey, в работе профильных комитетов которого участвовала Евгения Школьник . Окончательная стоимость проекта оценивается в несколько миллиардов долларов при широком международном партнёрстве .
Конструктивные и баллистические особенности HWO включают:
- Орбита: телескоп планируется отправить в точку Лагранжа L2 системы «Солнце — Земля», расположенную примерно в 1,5 миллионах километров за орбитой Луны в направлении от Солнца .
- Главное зеркало: сегментированная мозаичная структура диаметром от 6 до 8 метров, складывающаяся под головной обтекатель ракеты-носителя .
- Модульность: HWO проектируется с возможностью автоматического роботизированного обслуживания на орбите L2 для замены отработавших или устаревших научных инструментов .
В отличие от узкоспециализированных съёмок, HWO будет совмещать режим первичного обнаружения (finder scope) и детальной спектроскопической характеристики атмосфер планет земного типа вокруг звёзд солнечного типа . Конкуренция за наблюдательное время на подобных флагманах колоссальна: заявки со всего мира проходят строгий этап рецензирования независимыми научными коллегиями (peer review), а астрономы борются буквально за считаные часы наблюдений .
⚡ Красные карлики и бури ультрафиолета: где искать жизнь? 24:23
Значительная часть дискуссии была посвящена звёздам малой массы — спектральному классу M, более известным как красные карлики . Школьник отмечает фундаментальный парадокс: примерно 75% звёздного населения Млечного Пути составляют именно M-карлики . Это означает, что подавляющее большинство потенциально обитаемых зон в галактике сосредоточено вокруг этих холодных звёзд .
Однако стабильность условий вокруг M-дварфов вызывает у астрофизиков серьёзный скепсис:
- Красные карлики обладают мощными поверхностными конвективными зонами и колоссальными магнитными полями .
- На них регулярно происходят яростные звёздные вспышки и корональные выбросы массы .
- Хотя такие звёзды излучают в миллион раз больше инфракрасных и красных фотонов, чем ультрафиолетовых, их УФ-активность в абсолютных значениях крайне агрессивна .
Именно здесь данные спутника SPARCS играют критическую роль . Избыток ультрафиолета может запустить фотохимические реакции, имитирующие биологические маркеры (например, кислород или озон), создавая ложноположительный сигнал жизни . Напротив, интенсивная радиация способна разрушить реальные биомаркеры, приведя к ложноотрицательному результату .
🧲 Магнитные щиты и рой кубсатов в радиодиапазоне 30:20
Вопрос выживания атмосферы в столь враждебном окружении напрямую связан с наличием у экзопланеты собственного магнитного поля . На Земле магнитосфера отклоняет потоки солнечного ветра и солнечные вспышки, защищая плотные слои газовой оболочки от механического сдувания . Без магнитного щита высокоэнергетические заряженные частицы не только эродируют атмосферу, но и стерилизуют поверхность .
На данный момент астрономы фиксируют лишь косвенные признаки магнитных полей у гигантских экзопланет юпитерианского типа; измерений магнитосфер каменистых землеподобных планет за пределами Солнечной системы пока не существует .
Чтобы восполнить этот пробел, исследователи разрабатывают проект Mega-Wave Radio Surveyor . Поскольку регистрация низкочастотного синхротронного радиоизлучения планетарных магнитосфер требует огромных апертур, предложено запустить рой из сотен координированных кубсатов . Работая синхронно методами интерферометрии, эта распределённая группировка сможет синтезировать виртуальный радиотелескоп колоссального масштаба по аналогии с наземной решёткой VLA (Very Large Array) в Нью-Мексико .
🌌 Глубины космоса, научная серендипность и расширение невежества 33:49
Несмотря на колоссальные масштабы HWO, радиус непосредственного поиска биосигнатур ограничен относительно близкими окрестностями Солнца — сферой радиусом порядка 50 парсек (около 150 световых лет) . Землеподобные планеты чрезвычайно тусклы, и чтобы физически отделить их отражённый свет от слепящего сияния родительской звезды, требуется достаточно большой угловой разнос, достижимый только на близких дистанциях . Всего в выборку первичных подробных целей войдёт от 100 до 150 звёздных систем .
Однако HWO создаётся не только ради экзопланет . Подобно тому как телескоп JWST задумывался для изучения ранней Вселенной в инфракрасном диапазоне, но стал незаменимым инструментом для исследования звездообразования в нашей галактике, HWO получит целый комплекс приборов широкого профиля . Он позволит изучать локальную Вселенную в ультрафиолете при низком красном смещении (low redshift), наблюдая за потоками газа, питающими эволюцию галактик .
В заключительной части выпуска Нил Деграсс Тайсон затронул тему научной «серендипности» — способности совершать неожиданные открытия . В качестве примера он привёл легендарное изображение Hubble Deep Field, полученное благодаря директорскому резервному времени (Director’s Discretionary Time), когда «Хаббл» направили в кажущийся абсолютно пустым участок неба на несколько дней вопреки скепсису коллег .
Подводя итог беседе, Тайсон процитировал астронома XVII века Иоганна Кеплера :
«Стоит лишь приспособить паруса или корабли к небесным ветрам — и обязательно найдутся те, кто не устрашится даже этой бескрайней пустоты».
По мнению Тайсона, каждый новый фундаментальный ответ науки лишь расширяет внешнюю границу нашего непонимания: астрофизики прошлого мечтали узнать точный возраст Вселенной, а современное поколение решает задачи мультивселенной и сканирует атмосферы тысяч миров в поисках живых организмов .
