«Вот тут мы и живём. На голубой точке», — сказал Карл Саган после выхода знаменитой фотографии «бледно-голубая точка«. Фотографию сделал космический зонд Voyager 1 14 февраля 1990 года с расстояния в 6 млрд км. По сей день эта фотография остаётся самой дальней фотографией Земли. В феврале этого года ей исполнилось 30 лет, в честь чего её обработали, используя современные цифровые методы, и получили ещё более впечатляющее изображение.
(кликабельно) Обновлённая версия фотографии «бледно-голубая точка» с использованием современных программ и технологий для обработки изображений
Бледно-голубая точка или синий шарик – в любом случае наша планета ассоциируется с синим цветом. И поскольку Земля – единственная из известных нам обитаемых планет, разумно предположить, что и другие обитаемые планеты будут голубыми. Однако на самом деле всё не так просто.
Что такое цвет?
Астрономы подразумевают под цветом интенсивность света определённой длины волны. Свет – это электромагнитное излучение (ЭМИ), перемещающееся в пространстве, будто волны на поверхности воды. Длина волны определяет цвет. К примеру, ЭМИ с длиной волны около 450 нм кажется нам синим.
Однако то, что люди считают цветом, на самом деле обозначает лишь небольшую часть всех длин волн электромагнитного спектра. Телескопы могут улавливать промежутки спектра, находящиеся вне пределов того, что мы можем увидеть глазами. Инфракрасное или ультрафиолетовое излучение тоже можно считать «цветом». Ночное небо казалось бы нам гораздо ярче, если бы мы могли видеть весь диапазон ЭМИ.
Готовящийся к запуску космический телескоп Джеймса Уэбба может распознавать инфракрасную часть спектра. Инфракрасным волнам легче проходить сквозь межзвёздную пыль и газ, чем видимому свету. В результате телескоп сможет «видеть» сквозь эти препятствия.
И что самое интересное, цвет может рассказать нам многое об изучаемом объекте. Цвет звезды связан с температурой её поверхности. Красные звёзды более холодные, голубые – более горячие. Цвет также говорит о составе объекта. Цвет атмосферы связан с составом воздуха. Цвет отражённого от поверхности света говорит о характеристиках этой поверхности. Цвет космического объекта обычно состоит из нескольких цветов.
Земля не просто голубая, в её цвете смешано несколько цветов, каждый из которых связан с определёнными поверхностями и газами. Каждая поверхность и каждый газ в атмосфере оставляют свою уникальную «подпись» на волнах солнечного света, падающего на них, и меняющего в результате свой цвет. Когда свет падает на лист растения, содержащийся в нём хлорофилл поглощает часть энергии волны, отражая зелёную и инфракрасную части обратно в космос. Взаимодействие света с материей изучает наука спектроскопия.
Цвета и отражающая способность различных земных поверхностей
Спектр ЭМИ – обратите внимание, что видимый нами свет (visible) является лишь небольшой его частью
Что насчёт далёкого от нас мира – экзопланеты – вращающегося вокруг звезды? Цвет далёкого мира может рассказать нам о его обитаемости. Мы не можем использовать варп-двигатели или перейти в гиперпространство, чтобы достичь этих планет, и вместо этого используем информацию, полученную от них со скоростью света.
Основных проблем спектрографического исследования экзопланет, похожих на Землю, две.
Во-первых, у текущего поколения наших телескопов не хватает разрешения для того, чтобы отличить свет, отражённый планетой земного размера, от света её звезды. Для этого расстояния до этих объектов оказываются слишком далёкими (помните, какой маленькой Земля кажется с расстояния в 6 млрд км – а тут речь идёт о сотнях триллионов). Свет звезды и планеты сливается.
Мы знаем, что экзопланеты существуют, нам известен их размер, похожи ли они на Землю, вокруг каких звёзд вращаются – но на сегодняшний день мы видим мало что ещё.
Во-вторых, даже если наши телескопы и могут изучить свет отдельной планеты, у нас нет таблички с цветами, которая помогла бы нам разобраться, что именно мы видим – нам не с чем сравнивать. Мы не знаем, как выглядела бы другая Земля, вращающаяся вокруг другой звезды, с расстояния в сотни световых лет. Да и наша Земля выглядела бы по-другому в свете красного или голубого солнца.
К счастью, с обеими проблемами мы сейчас разбираемся.
Проекты телескопов будущего
На горизонте маячит новое поколение телескопов высокого разрешения. Космические телескопы, в частности, Джеймс Уэбб, HabEx и LUVOIR. Наземные телескопы – например, гигантский Магелланов телескоп. Их разрешающая способность позволит разделить свет относительно тусклой планеты и её пылающей звезды.
Ожидая увеличения разрешающих способностей телескопов, Джек Мэдден – кандидат наук, изучающий астрофизику в Корнелловском университете, составил цветовой справочник для землеподобных миров, вращающихся вокруг других звёзд. Справочник, созданный с помощью компьютерных симуляций, можно использовать для интерпретации цветов наблюдаемых нами миров и определения их обитаемости.
У подобной экзопланеты может быть голубая атмосфера, напоминающая земную. Под светом красной звезды она имеет зеленоватый оттенок.
Мэдден создавал симулированные «Земли», комбинируя типы поверхностей, имеющиеся на нашей собственной планете: морская вода, базальт, гранит, песок, деревья, трава, снег и облака. Некоторые из симулированных планет получили единственный тип поверхности – например, планеты, полностью покрытые джунглями/лесами (как Эндор из «Возвращения джедая»); снежные миры (как Хот из «Империя наносит ответный удар»); пустынные миры (Татуин из «Новой надежды»). Некоторые посчитаны с комбинацией нескольких типов, как Земля. Для каждой из планет считали разные варианты, в том числе, с 70% покрытием водой, как у Земли, вовсе без облаков или с 44% покрытием облаками, как в среднем у нас.
Затем эти планеты разместили в обитаемую зону симулированных звёзд – на таком расстоянии, чтобы они получали достаточно энергии, чтобы поддерживать на поверхности воду в жидком состоянии. Температуры поверхности симулированных звёзд варьировались от 3900 К до 7400 К, соответствуя 12 классам и подклассам звёзд, включая классы F, G и K.
Этот диапазон включает как более холодные и красные звёзды по сравнению с нашим Солнцем, входящим в класс G и имеющим температуру поверхности порядка 5770 К, так и более горячие и голубые. Ещё более холодные звёзды класса М были исключены из списка. Чтобы получать достаточно энергии, планетам пришлось бы вращаться на таком небольшом расстоянии от них, что они подверглись бы риску воздействия солнечных вспышек. Кроме того, такие планеты пришли бы к синхронному вращению со звездой, и были бы повёрнуты к ней одной стороной.
В итоге было симулировано 30 различных типов поверхностей планет и 12 разных типов звёзд. Всего получилось 360 различных планет с длинами волн от 0,4 до 20 мкм (что соответствует спектру от видимого света до инфракрасного).
«Земля – наш единственный пример обитаемого мира. Чем лучше мы подготовимся к обнаружению мира, способного поддерживать мир, но не похожего на Землю, тем быстрее мы сможем обнаружить признаки его существования. Получив в распоряжение телескопы, способные находить признаки жизни в атмосферах удалённых планет, мы составим обширный набор моделей, с которыми сможем сравнивать. На основе наблюдаемых условий мы сможем узнать, какие бывают типы поверхностей, способные поддерживать температуру, необходимую для существования жидкой воды», — писал Джек Мэдден.
Экзопланета и её луна, движущиеся вокруг яркой звезды класса F, иногда выстраиваются в одну линию. Рассеянный свет отражается от верхушек облаков, и образует пламенную картину для всех наблюдателей под определённым углом зрения.
Цвета обитаемости
Симулированные планеты позволили создать справочник для будущих телескопов, с помощью которых планируется охотиться за экзопланетами. Сверяя спектры наблюдений с симулированными землеподобными планетами, проще будет понять, видим ли мы закрытый облаками мир джунглей, океанскую планету, безвоздушный камень или континентальный мир со множеством разных типов поверхностей, подобный Земле.
Также симуляции раскрыли подробности взаимодействия поверхности планеты и света, исходящего от звезды. К примеру, хотя более холодные звёзды излучают меньше энергии, чем горячие, они эффективнее разогревают землеподобные миры, поскольку больший процент излучения попадает в инфракрасный диапазон.
Различные типы поверхностей, в зависимости от того, как они поглощают или отражают свет конкретной звезды, также влияют на температуру на поверхности планеты. Голубые поверхности будут более холодные под светом голубой звезды, а красные будут поглощать больше голубого света и разогреваться.
Цветовой контраст планеты меняется ещё и из-за свойств её поверхности. Пустынная планета, вращающаяся вокруг тусклой звезды класса К может быть в два раза ярче, чем покрытая океанами планета, вращающаяся вокруг яркой звезды класса F: морская вода отражает меньше света, чем песок.
Тип поверхности планеты может значительно влиять на температуру её поверхности и обитаемость, а также на то, насколько хорошо её видно в наши телескопы в зависимости от типа её звезды. Эта информация поможет выбирать звёзды для наблюдений нашими будущими супертелескопами, и экзопланеты, к которым мы сможем вернуться после увеличения разрешающей способности.
Выборка комбинации отражённого и испущенного симулированными экзопланетами света. Представлены планеты с 30% поверхности разных типов и 70% поверхности, покрытыми морской водой, а также с облаками и без. По оси Y откладывается количество энергии, отражённой данной поверхностью, по оси Х – длины волн.
Наличие жизни
Свет, отражённый атмосферой планеты, может рассказать нам о её составе. Проходя через атмосферу планеты, свет звезды меняется из-за присутствия там некоторых газов. Эти изменения могут засечь телескопы.
Симулировав все эти миры, можно упростить задачу распознавания наличия в атмосфере планет таких газов, как метан и кислород. Обычно метан и кислород взаимно уничтожаются, поэтому их непрекращающееся присутствие в атмосфере планеты (как происходит на Земле) может быть признаком идущих там биологических процессов, восстанавливающих запасы одного или обоих газов.
С большого расстояния можно увидеть и растения благодаря т.н. «эффекту красной грани» в диапазоне длин волн около 700 нм – красного и почти инфракрасного света. У симулированных планет, покрытых деревьями, в этом месте спектра происходит резкое увеличение отражающей способности. Земные растения отражают инфракрасный свет, защищаясь от перегрева во время фотосинтеза.
Существуют и другие интересные возможности, не учтённые в моделях Мэддена. К примеру, неясно, как изменится спектр планеты, которая будет не только отражать свет, но и испускать собственный. Этот свет может быть результатом наличия биолюминесцентных организмов на поверхности планеты (как на Пандоре из «Аватара»). Подобные возможности мы сможем обнаружить во время будущей охоты за планетами.
Мэдден не только моделирует спектроскопические характеристики планет, но и делает цифровые рисунки на эту тему. Некоторые его работы представлены в этой статье, остальные можно найти на его сайте.
