Космический телескоп «Джеймс Уэбб» Космический телескоп «Хаббл», знаете ли, тоже не вечен. С момента его запуска в 1990 году, посещавшие его астронавты осуществили пять модернизаций (последняя была в 2009 году), но больше их не планируется, и телескоп, вероятно, перестанет функционировать где-то в следующем десятилетии. Нам будет грустно видеть, как это происходит, потому что, если не считать прибора, который Галилей впервые обратил к небу в 17 веке, «Хаббл», возможно, был самым продуктивным телескопом из когда-либо построенных. Впрочем, не волнуйтесь — его замена уже ждёт своего часа. В 2021 году НАСА запустит космический телескоп «Джеймс Уэбб»[16] — это преемник «Хаббла». (Небольшое пояснение: Уэбб [1906-92] был администратором НАСА в 1960-е годы. Напоминаем вам, что в это десятилетие агентство переживало свои золотые дни, и тогда же были первые высадки «Аполлонов» на Луне.) Однако прежде, чем мы обсудим прибор, давайте взглянем на то, что может быть самым странным аспектом миссии «Дж. У.»: это орбита, на которую он будет выведен. «Хаббл» вращается вокруг Земли по орбите, удалённой от поверхности на несколько сотен миль, что давало возможность периодических визитов астронавтов для технического обслуживания и ремонта. А вот «Дж. У.» будет находиться в так называемой второй точке Лагранжа в системе Земля-Солнце, на расстоянии 930 000 миль (1,5 миллиона км) от Земли в сторону Солнца. Далее мы обсудим, в чём именно заключается смысл этого, но здесь мы должны сразу отметить одну вещь: ни один астронавт не сможет отправиться на «Дж. У.», когда тот окажется на орбите. Это означает, что всё должно работать правильно с самого начала. Здесь просто нет места для ошибок. И поговорите теперь о давлении на инженеров! Точки Лагранжа в астрономии названы в честь французского физика и математика Жозефа-Луи Лагранжа (1736-1813). Это места, где силы притяжения двух тел (в данном случае Земли и Солнца), совместно воздействующие на объект, точно компенсируют центробежную силу, связанную с орбитой объекта, тем самым позволяя ему оставаться в одном и том же положени относительно двух тел в течение неопределённо долгого срока. Несмотря на то, что «Дж. У.» будет находиться дальше от Солнца, чем Земля, его положение отрегулировано таким образом, чтобы он завершил оборот вокруг Солнца за тот же годичный период, что и сама Земля. (В качестве технического аспекта отметим, что «Дж. У.» фактически будет вращаться вокруг второй точки Лагранжа, а не оставаться в ней.) Этот телескоп — чудо современной техники. Главное зеркало состоит из 18 шестиугольных сегментов, каждый из которых весит около 46 фунтов (21 кг) и изготовлен из бериллия с золотым покрытием. Бериллий лёгкий и прочный, зато золото хорошо отражает инфракрасное излучение — к этому моменту мы вернёмся буквально через мгновение. Полностью раскрытое зеркало будет более 21 фута (6,5 м) в диаметре. (Для сравнения: зеркало на «Хаббле» — почти 8 футов [2,4 м] в диаметре.) Зеркало слишком велико, чтобы поместиться внутри ракеты, поэтому перед запуском оно будет сложено, а развернётся только тогда, когда телескоп достигнет точки Лагранжа. Чтобы разработать процедуры складывания и раскладывания, инженеры НАСА изучали японское искусство оригами. В отличие от «Хаббла», «Дж. У.» сконструирован для обнаружения инфракрасного излучения, у которого длина волны больше, чем у видимого красного света. Как мы уже отмечали, при температуре выше абсолютного нуля каждый объект испускает электромагнитное излучение в той или иной форме. Этот факт создаёт особую проблему для инженеров, проектирующих инфракрасный телескоп. Проще говоря, проблема такова: как не дать телескопу обнаруживать самого себя? В конце концов, он находится при температуре выше абсолютного нуля, поэтому нам придется вылавливать инфракрасные сигналы из космоса в дымке излучения, создаваемой самим прибором. Обычный способ решения этой проблемы состоит в снижении температуры телескопа таким образом, чтобы излучение, которое он испускает, имело длину волны больше, чем та, которую могут зарегистрировать его приборы. Инфракрасные телескопы в космосе обычно снабжены запасом жидкого гелия, чтобы прибор оставался холодным. (Для справки: температура жидкого гелия составляет около 4 градусов выше абсолютного нуля [-450 ° F или -270°C].) Проблема всегда заключается в том, что, когда гелий заканчивается — обычно через несколько лет — больше нет возможности сохранять температуру прибора достаточно низкой. Такого рода «силовое» инженерное решение явно не подходит для «Дж. У.», который будет снабжён достаточным запасом топлива, чтобы удерживаться на заданной орбите в точке Лагранжа в течение 10 лет — это гораздо дольше, чем могут проработать охлаждающие жидкости. Вместо них «Дж. У.» сохранит холодным сложная конструкция, известная как теплозащитный экран. Полностью развёрнутый, этот экран размером с теннисный корт будет состоять из пяти слоёв плёнки с алюминиевым покрытием. Задумка состоит в том, что он будет поддерживать холод вокруг телескопа — и отражая тепло от внешних источников вроде Солнца и Земли, и отводя от телескопа тепло, создаваемое им самим. При работающем в полную силу теплозащитном экране температура телескопа будет достаточно низкой, чтобы излучение самого «Дж. У.» не искажало данные, поступающие из космоса. Как и главное зеркало телескопа, теплозащитный экран будет развёрнут, как только «Дж. У.» окажется в заданном месте. Отметим между делом, что разрыв щита во время испытаний, развёрнутых в 2017 году, задержал дату запуска «Дж. У.» на год — до назначенной в настоящее время в 2021 году. Итак, что же мы можем ожидать узнать о жизни на экзопланетах, как только «Дж. У.» будет успешно развёрнут и угнездится на своей орбите в точке Лагранжа? Основными преимуществами этого прибора будут (1) высокое разрешение, обусловленное его большими размерами, и (2) его способность обнаруживать излучение вплоть до длинных инфракрасных волн. Эти возможности позволят телескопу исследовать атмосферы экзопланет в поисках признаков поглощения инфракрасного света специфическими молекулами, которые могут указывать на присутствие жизни — как мы уже обсуждали это в главе 5. В некоторых случаях «Дж. У.» может даже напрямую получить изображения экзопланеты, а в другое время он будет использовать анализ транзита планет, который мы уже описали. Вопрос о том, сможем ли мы истолковать такого рода данные как несомненное обнаружение жизни, может, по нашему мнению, остаться без ответа в обозримом будущем. Поскольку мы говорим о новых телескопах, мы должны упомянуть TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), запущенный НАСА в 2018 году, и «Хеопс» (CHEOPS — Characterising ExOPlanet Satellite), запуск которого запланирован Европейским космическим агентством в 2019 году[17]. Оба этих космических телескопа будут проводить подробные наблюдения за близлежащими экзопланетами. SETI Поиск внеземного разума (the search for extraterrestrial intelligence — SETI) продолжается уже давно. Он начался в конце 1950-х годов, когда учёные поняли, что наши новые радиотелескопы позволят нам обнаруживать радиосигналы, посылаемые другими технологически развитыми цивилизациями нашей галактики — конечно, при условии, что эти сигналы были посланы. С тех пор поиски продолжаются — иногда при поддержке правительства, но обычно без неё. Исходный довод в пользу поиска внеземного разума основывался на технологии середины 20 века, когда радио- и телевизионные сигналы транслировались без разбора во всех направлениях, в том числе в космос. Идея состояла в том, чтобы мы могли прослушивать чужие передачи. Или же, как вариант, вполне возможно, что кто-то вне Земли пытался связаться с нами, и в этом случае радиотелескопы в настоящее время дали нам возможность «снять трубку». Лучшая аналогия для проведения поиска в рамках проекта SETI — это поиск определённой радиостанции в незнакомом городе: вы настраиваетесь на одну частоту, некоторое время слушаете, затем настраиваетесь на другую. Точно так же зондирование определённой звезды или планетной системы в рамках SETI должно «перебрать» весь спектр радиочастот — это масштабный проект. Иногда учёные утверждают, что инопланетяне выберут для общения определённую частоту (популярным выбором была так называемая 21-сантиметровая [8 дюймов] линия водорода) и что из-за этого мы должны исследовать только такие частоты. Конечно, проверка меньшего количества частот облегчает поиск, но она также затрудняет интерпретацию отрицательного результата: вы не можете определить, отсутствует ли сигнал вообще, или же присутствует, но не на той частоте, которую вы прослушиваете. Технический прогресс на Земле показал, что стратегия подслушивания страдает серьёзным недостатком. На заре проекта SETI предполагалось, что, как только технологически развитая цивилизация достигнет точки, когда она сможет осуществлять трансляции, она будет продолжать делать это в течение длительных периодов времени — тысяч или даже, по некоторым расчётам, миллионов лет. Но на самом деле на Земле всё больше и больше передач осуществлялось по оптоволоконным кабелям и напрямую через спутники вместо того, чтобы транслироваться в космос. Таким образом, в последние 30 лет наша «подпись» в теле- и радиоэфире значительно выцвела. Поэтому мы подозреваем, что инопланетяне также будут излучать пригодные для «подслушивания» сигналы в течение короткого периода развития своей цивилизации — по сути, ровно до тех пор, пока их технологии не перейдут от радиопередач к волоконной оптике. Мы можем подвести итог полувековой работы SETI одним предложением: мы не обнаружили никаких однозначных сигналов от внеземных цивилизаций. Точка. Объяснение этого так называемого «Великого молчания» остаётся одной из неразрешённых задач науки. Попутно отметим, что не всегда легко решить, имеет ли данный сигнал естественный источник или исходит от инопланетян. Например, когда были впервые замечены сигналы пульсара, астрономы, которые их обнаружили, назвали эти регулярно повторяющиеся радиоимпульсы «LGM-1»: это аббревиатура, означающая «маленькие зелёные человечки» ("little green men”). Важнейшие научные вопросы Если принять во внимание новые технологические возможности, которыми мы будем обладать в течение следующих нескольких десятилетий, то на какие вопросы мы захотим ответить? Ниже приведён неполный список направлений, по которым мы ожидаем осуществления исследований. Каково определение жизни? В главе 3 мы увидели, как трудно дать определение жизни, даже если мы ограничиваем свои усилия лишь нашей планетой. Если мы собираемся отправиться в космос на поиски жизни, у нас должно быть, как минимум, чёткое представление о том, что мы ищем. Это проблема, стоящая на границе между наукой и философией. Например, определение биологической жизни может обращать внимание на присутствие сложных биомолекул, тогда как определение небиологической жизни может обращать внимание на сложность структур. Что это значит — сказать, что планета пригодна для жизни? ЗООЗ как область, определяемая наличием на поверхности планеты жидкой воды в стабильном состоянии — это слишком консервативное и ограниченное понятие. Новое определение должно учитывать возможность обнаружения жизни под землёй или в океанах подо льдом, а также на поверхности или внутри лун, вращающихся вокруг планет, как мы видели в случае Европы в главе 7. Кроме того, мы почти ничего не знаем об условиях, необходимых для существования неорганической жизни, поэтому для данного явления определение «жизнепригодности» ещё предстоит сформулировать. Как мы можем обнаружить жизнь на экзопланетах? В главе 5 мы обсудили трудности, возникающие в ходе поиска однозначных свидетельств жизни на других планетах — даже на Марсе, который находится в нашей Солнечной системе, и на поверхность которого мы уже посадили свои марсоходы. А как обстоят дела с действительно далёкими планетами, находящимися за пределами нашей Солнечной системы? Ни один из телескопов, которые выйдут в онлайн в следующем десятилетии, не позволит нам провести такие измерения, которые смогли бы дать однозначный ответ на вопрос о том, есть ли жизнь на этих планетах, хотя они предоставят нам более точные данные. Существуют ли ещё не использованные измерения, которые мы могли бы провести, чтобы решить эту проблему? Как мы можем обнаружить развитые цивилизации на экзопланетах? Обнаружение инопланетных цивилизаций — это классическая ситуация, когда «есть две новости: хорошая и плохая», и успех в поиске зависит от того, насколько они развиты технически. Как мы уже видели, непреднамеренные передачи сигналов в эфир, скорее всего, прекратятся, как только цивилизация разработает оптические волокна. Аналогичным образом то промышленное загрязнение, которое пропитывает атмосферу Земли (и легко обнаруживается издалека), у более развитой цивилизации может отсутствовать. Иными словами, если такая цивилизация не хочет быть обнаруженной, мы, вероятно, даже не узнаем о ней. С другой стороны, если кто-то вне Земли захочет послать сигнал, это, вероятно, будет совершенно очевидно. Мечта исследователей SETI — чтобы это было лёгкое в расшифровке сообщение, которое инопланетяне используют, чтобы представиться. Как мы можем обнаружить планеты-сироты? Если учесть, что планет-сирот, вероятно, значительно больше, чем планет, вращающихся вокруг звёзд, необходимо разработать какой-то лучший метод обнаружения этих изгоев. Скорее всего, для этого потребуется специальный инфракрасный телескоп, расположенный, как и «Джеймс Уэбб», в точке Лагранжа. Какие расчёты необходимо выполнить? В дополнение к изложенным выше задачам наблюдения мы можем подумать о том, какие серьёзные расчёты необходимо будет выполнить в ближайшие годы: • Каковы метеоусловия в мирах, находящихся в приливном захвате? При каких условиях разумно ожидать развития жизни в зонах терминатора или где-то ещё в этих мирах? • Какой интенсивности могут достигать мощные солнечные вспышки и выбросы массы у красных карликов, и какое влияние они могут оказать на долгосрочную жизнепригодность и саму жизнь на планетах вокруг этих звёзд? • Каково поведение воды и льда при тех давлениях, которые мы могли бы ожидать найти в водных мирах, особенно там, где очень глубокие океаны? • Какое влияние оказывает присутствие множества близко расположенных звёзд (ситуация, которую мы наблюдаем вблизи центра галактики) на развитие жизни? Конечно же, это всего лишь неполный список вопросов, ожидающих ответа. Однако в одном мы можем быть уверены: когда на любой из них будет дан ответ, на их месте появятся новые вопросы. Находимся ли мы в безопасности?