Мы знаем о существовании тысяч экзопланет, и ещё миллионы ждут своего открытия. Но подавляющее большинство экзопланет просто непригодны для жизни. Те немногие из них, которые могут быть пригодны для жизни, мы можем определить только изучив их атмосферы. Помочь в этом может LIFE — Large Interferometer for Exoplanets («Большой интерферометр для экзопланет»).
Поиск биопризнаков на потенциально пригодных для жизни экзопланетах набирает обороты. «Уэбб» успешно собрал несколько спектров атмосфер экзопланет, но у него много другой работы, а время для наблюдений очень востребовано. Планируемый космический телескоп под названием LIFE предназначен для поиска биосигнатур экзопланет, и недавно исследователи устроили ему испытание: сможет ли он обнаружить биосигнатуры Земли?
Как интерферометр, LIFE состоит из пяти отдельных телескопов, которые будут работать в унисон, чтобы увеличить эффективный размер телескопа. LIFE разрабатывается Федеральным технологическим институтом Цюриха (ETH Zurich) в Швейцарии. LIFE будет вести наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне, где находятся спектральные линии важных биоиндикаторных химических веществ — озона, метана и закиси азота.
LIFE будет находиться в точке Лагранжа 2, на расстоянии около 1,5 млн км (1 млн миль), где расположен и «Уэбб». С этого места он будет наблюдать за целым списком экзопланет в надежде найти на них биопризнаки. «Наша цель — обнаружить химические соединения в световом спектре, которые намекают на жизнь на экзопланетах», — объясняет Саша Куанц, профессор кафедры экзопланет и обитаемости Цюрихского технологического института, возглавляющий инициативу LIFE.
LIFE пока ещё находится в стадии концепции, и исследователи хотели проверить её работоспособность. Так как он ещё не построен, команда исследователей использовала атмосферу Земли в качестве тестового образца. Они рассматривали Землю как экзопланету и проверяли методы LIFE в сравнении с известным спектром земной атмосферы в различных условиях. Для работы с данными они использовали инструмент под названием LIFEsim. Исследователи часто используют смоделированные данные для проверки возможностей миссий, но в данном случае они использовали реальные данные.
Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal. Исследование называется «Большой интерферометр для экзопланет (LIFE). XII. Обнаруживаемость биосигнатур каптанов в среднем инфракрасном диапазоне — нюх на экзопланетный веселящий газ и метилированные галогены». Ведущий автор — доктор Даниэль Ангерхаузен, астрофизик и астробиолог из ETH в Цюрихе.
В реальном сценарии такая планета, как Земля была бы лишь далёким, почти неразличимым пятнышком. Всё, что увидит LIFE, — это атмосферный спектр планеты, который будет меняться с течением времени в зависимости от того, какие кадры будет делать телескоп, и, что очень важно, как долго он будет следить за выбранной планетой.
Эти спектры будут собираться с течением времени, и это приводит к важному вопросу: как геометрия наблюдений и сезонные колебания повлияют на наблюдения LIFE?
К счастью для команды исследователей, у нас есть достаточно наблюдений за Землёй, с которыми они могли бы работать. Исследователи работали с тремя различными геометриями наблюдений: два вида с полюсов и один — из экваториальной области. Опираясь на три эти точки наблюдений, они работали с атмосферными данными за январь и июль, на которые приходятся наибольшие сезонные колебания.
Хотя атмосферы планет могут быть чрезвычайно сложными, астробиологи фокусируются на определённых аспектах, чтобы выявить потенциал планеты для размещения жизни. Особый интерес представляют химические вещества N20, CH3Cl и CH3Br (закись азота, хлорметан и бромметан), и все они могут появиться в атмосфере благодаря биологическим процессам. «Мы используем набор сценариев, полученных из моделей химической кинетики, которые моделируют атмосферную реакцию на различные уровни биогенного производства N2O, CH3Cl и CH3Br в атмосферах земных планет, богатых O2, для создания перспективных моделей для нашего программного обеспечения LIFEsim для моделирования наблюдений», — пишут авторы.
В частности, исследователи хотели узнать, сможет ли LIFE обнаружить CO2, воду, озон и метан на планете Земля с расстояния около 30 световых лет. Это признаки умеренного, поддерживающего жизнь мира — особенно озон и метан, которые производятся жизнью на Земле. Если LIFE может обнаружить биологическую химию на Земле таким образом, то она сможет обнаружить её и на других мирах.
LIFE удалось обнаружить на Земле CO2, воду, озон и метан. Он также обнаружил некоторые поверхностные условия, которые указывают на наличие жидкой воды. Интересно, что результаты LIFE не зависят от того, под каким углом смотреть на Землю. Это важно, поскольку мы не знаем, под каким углом LIFE будет наблюдать за экзопланетами.
Другой проблемой являются сезонные колебания, которые было не так просто наблюдать. Но, к счастью, похоже, что это не будет ограничивающим фактором. «Даже если сезонность атмосферы не так легко наблюдать, наше исследование показывает, что космические миссии следующего поколения могут оценить, являются ли близлежащие земные экзопланеты с умеренным климатом пригодными для жизни или даже обитаемыми», — говорит Куанц.
Однако просто обнаружить нужные химические вещества недостаточно. Важнейшим моментом является то, сколько времени это займёт. Создание космического интерферометра, который обнаруживал бы эти химические вещества, но требовал бы слишком много времени, было бы непрактичным и неэффективным. «Мы используем полученные результаты для определения времени наблюдения, необходимого для обнаружения этих сценариев, и применяем их для определения научных требований к миссии», — пишет исследовательская группа в своей статье.
Чтобы составить более полную картину времени наблюдений LIFE, исследователи составили список целей. Они составили «…распределение расстояний между планетами HZ с радиусами от 0,5 до 1,5 земных радиусов вокруг звёзд типа M и FGK в пределах 20 пк от Солнца, которые можно обнаружить с помощью LIFE». Данные для этих целей получены от НАСА и из других предыдущих исследований.
Результаты показывают, что для некоторых целей требуется всего несколько дней, в то время как для других может потребоваться до 100 дней, чтобы обнаружить достаточное количество вещества в атмосферном спектре.
То, что команда называет «золотыми целями», легче всего наблюдать. Планеты в Проксиме Центавра — пример таких целей. Для таких планет требуется всего несколько дней наблюдений. Для наблюдения за «некоторыми стандартными сценариями, такими как умеренные, земные планеты вокруг звёзд-хозяев класса M на расстоянии пяти пк», потребуется около десяти дней наблюдений с помощью LIFE, пишут исследователи. Самые сложные случаи, которые все ещё выполнимы, — это экзопланеты, которые являются двойниками Земли на расстоянии около 5 парсек. Согласно полученным результатам, для обнаружения биосигнатур LIFE потребуется от 50 до 100 дней наблюдений.
На данный момент LIFE остаётся лишь потенциальной миссией. Это не первая предложенная миссия, которая будет направлена исключительно на изучение обитаемости экзопланет. В 2023 году НАСА предложило создать Обсерваторию обитаемых миров (HWO). Её цель — получить прямые изображения как минимум 25 потенциально пригодных для жизни миров, а затем провести поиск биопризнаков в их атмосферах.
Но, по словам авторов, их результаты показывают, что LIFE — лучший вариант.
«Если в окрестностях Солнца существуют экзопланетные системы звёзд позднего типа с планетами, которые демонстрируют глобальные биосферы, производящие сигналы N2O и CH3X, то LIFE будет наилучшей будущей миссией для их систематического поиска и последующего обнаружения», — заключают они.
