Сначала цитата:
Чтобы успешно находить пригодные для жизни миры, надо прежде всего определиться с методикой поиска. Тем более что пять тысяч открытых экзопланет предоставляют неплохую выборку. Правда, большинство из них заметно больше Земли. На этот фактор обратила внимание команда планетологов во главе с доктором Мики Накадзимой, которая пришла к выводу, что в будущих исследованиях необходимо прекратить искать легкие пути и сконцентрироваться на планетах земного класса — даже если их по-настоящему сложно обнаружить.
Основной метод обнаружения экзопланет — транзитный, для которого нужно, чтобы планета несколько раз прошла прямо между телескопом и своей звездой, ненадолго «приглушив» ее яркость. Понятно, что в этом случае приоритет получают газовые гиганты (как самые большие и надежно заслоняющие светило), да к тому же вращающиеся по чрезвычайно близким орбитам (никто не будет ждать следующего транзита годами). Другой метод — радиальных скоростей — гораздо требовательнее к точности расчетов и чувствительности аппаратуры.
Но, возможно, земной науке стоит развивать именно его, если человечество действительно намерено нащупать в космосе миры — если не с братьями по разуму, то хотя бы пригодные для колонизации... Это один из выводов, к которому пришла группа исследователей, решившая упорядочить имеющиеся на сегодняшний день методы поисков жизни...
Транзитный метод - это замечательно. Только вот вероятность того, что орбита планеты расположена так, что та иногда проходит между своей звездой и нами, весьма невелика. Метод радиальных скоростей также не идеален: требует и очень точных измерений, и сложных расчётов, да и результаты даёт не всегда адекватные.
Так вот - что касается методов. Позволю себе наглый вопрос:
Как насчёт визуального наблюдения?
Можно же просто понаблюдать за близкорасположенными звёздами - и постараться разглядеть там нечто планетоподобное.
В самом деле: при наличии достаточно мощного телескопа можно просто снять окрестности звезды, а потом повторить процедуру через неделю - месяц. Слабые источники излучения, которые сместились за этот срок, планеты и есть... Ну да: планомерное наблюдение потребует много времени - но на то, чтобы увидеть несколько транзитов (прохождений экзопланеты по диску звезды), его нужно никак не меньше.
Но даёт ли современная техника подобную возможность?
Проверим.
Возможность визуального наблюдения землеподобных планет на межзвёздных расстояниях
Допустим, у нас есть аналоги Солнца и Земли, удалённые на , скажем, стандартное расстояние - 10 парсек (32.6 светового года). Абсолютная звёздная величина Солнца - то есть как раз видимого с такого расстояния (10 пс) - ~5 (на самом деле 4.83, но округлять нам всё равно придётся много, потому не будем усложнять себе задачу).
Какой звёздной величины будет наблюдаемая с такого расстояния Земля?
Абсолютная звёздная величина Земли - ~ -4. То есть такую яркость имела бы Земля в полной фазе при наблюдении с расстояния 1 астрономической единицы (а.е.), то есть радиуса земной орбиты (около 150 млн км). Понятно, что это условность, так как нечто такое можно было бы увидеть, только ведя наблюдение из центра Солнца. Но, как бы то ни было, это не так уж мало.
Парсек - около 200 тыс а.е. 10 пс - соответственно, около 2 млн а.е.
Ну и какой звёздной величины была бы Земля при наблюдении с расстояния в 10 пс?
Яркость убывает пропорционально квадрату расстояния. (2 млн)^2 = 4 трлн (2*10^6 * 2*10^6 = 4*10^12), именно во столько раз менее яркой станет Земля в полной фазе в сравнении со своей абсолютной звёздной величиной. И сколько же это получится?
Различие на 1 звёздную величину означает фактическое различие в количестве излучаемого света в ~2.5 раза. Это означает, что различие на 5 звёздных величин подразумевает реальное отличие яркости в 2.5^5 ~100 раз. Различие яркости в 1 трлн раз, то есть 10^12, что равно 100^6, означает различие на ~5*6 = 30 звёздных величин. То есть яркость Земли с расстояния в 10 пс составила бы примерно ~ 30 - 4 = 26 зв. вел.
Расстояние же от Солнца - нужно учесть и разрешающую способность телескопа - составляло бы в максимуме 0.05" (0.05 угловой секунды). Что и понятно: сам по себе парсек - это расстояние, с которого земная орбита - её диаметр - были бы видны под углом 1". Тут у нас расстояние больше в 10 раз, да ещё и между Солнцем и Землёй не диаметр земной орбиты, а радиус, то есть расстояние ещё в 2 раза меньше. 1 :10 : 2 = 0.05.
Ну и насколько реально это всё увидеть в существующие телескопы?
Вроде как данные по "Хабблу": яркость исследуемых объектов - до 30 зв. вел., разрешение - до 0.04". То есть теоретически оно вроде как в пределах его возможностей. "Уэбб" - точных данных по верхам не попалось, но яркость он берёт вроде бы и более низкую, а разрешающая способность как минимум не ниже (в том числе в инфракрасном диапазоне).
Но - именно что теоретически. Прежде всего, в полной фазе планета будет заслоняться звездой - либо сливаться с ней в единую светящуюся точку. Разрешение в 0.04" даст возможность отдельно наблюдать её только на максимальном удалении от звезды, то есть когда видна будет только половина диска. Луна, к примеру, в первой четверти слабее полной Луны на 3.7 зв вел (-9 и -12.7 соответственно). Но, если с планетой выйдет так же, её яркость оказывается близка к критическому уровню (около 30 зв.вел.)...
И это мы ещё ситуацию с аналогами Земли и Солнца описывали. Если она окажется чуть иной - звезда холоднее, а радиус орбиты планеты меньше - то разрешения по крайней мере "Хаббла" уже не хватило бы.
В общем, теоретически, наверное, можно вести подобные наблюдения, но сложно.
Возможность наблюдения землеподобных планет на межзвёздных расстояниях в инфракрасном диапазоне
Но есть и второй вариант - тоже напрашивающийся. Можно ведь искать не отражённый свет , а собственный. Да, в оптическом диапазоне планеты не светятся. Зато в "тепловом" инфракрасном - очень даже!
По закону Стефана - Больцмана светимость самосветящегося объекта пропорциональна 4-й степени температуры. Посчитаем светимость Земли (излучает она, понятно, в ИК-диапазоне).
Примем температуру фотосферы Солнца за 6 тыс К, а поверхности Земли - за 300. Тогда Земля холоднее в 6000 / 300 = 20 раз. Значит, квадратный метр земной поверхности излучает в 20^4 = 160000 (1.6*10^5) раз меньше, чем квадратный метр фотосферы Солнца. Диаметр Земли в ~100 раз меньше солнечного, то есть площадь излучающей поверхности меньше в 100^2 = 10000 (10^4) раз. Значит, общая светимость Земли меньше солнечной в 1.6*10^5 * 10^4 = 1.6*10^9 раз.
Так какова будет яркость Земли на расстоянии в 10 пс, на котором Солнце - 5-й звёздной величины?
1.6*10^9 = 16*10^8 = 16*100^4. То есть звёздная величина Земли будет слабее звёздной величины Солнца на ~16^(1/2.5) + 5*4 ~ 3+20 = 23 зв. вел. То есть она составит 5 + 23 = 28 звёздную величину.
А вот это уже другое дело: яркость существенно выше порога (если его за 30 зв. вел. принять). И - самое главное - фаза, под которой планета будет видна земному наблюдателю, значения практически не имеет: мы ведь исследуем самосветящийся объект, а не тот, который виден лишь благодаря отражённому свету. То есть на максимальном удалении от звезды планета будет видна даже лучше, чем когда обращена к нам освещённой стороной.
Ну вот этот вариант и кажется оптимальным для обнаружения ближайших экзопланет. Это мы - напоминаю - считали всё для расстояния в 10 пс, то есть 32.6 св. года. А на более близком расстоянии всё проще. Внутри сферы с радиусом 10 пс есть множество экзопланет, как открытых, так наверняка и пока не открытых. Их таким образом изучать - самое милое дело. Прямое наблюдение даёт возможность определить состав атмосферы, наличие спутников, даже примерное расположение континентов (если у нас об аналоге Земли речь...).
Так за чем дело стало?
Соответственно, возникает вопрос: неужто до сих пор никто ничего подобного не планировал и не делал?
Ну вообще-то поиск и изучение экзопланет - одна из задач упомянутого телескопа "Джеймс Уэбб", который оптимизирован в том числе для наблюдений в среднем ИК-диапазоне. Он расположен .в точке Лагранж-2 в системе Земля - Солнце, то есть экранируется Землёй от нагрева солнечным излучением, так что вести наблюдение за объектами температурой в 300 К он способен (на поверхности Земли, понятно, заниматься ИК-астрономией - всё равно что вести наблюдения в оптическом диапазоне, сидя в фотосфере Солнца под сияющим протуберанцем).
"Уэбб" достаточно легко разглядел известные крупные экзопланеты - к примеру, HIP 65426 b; но это газовый гигант, в 6-12 раз массивней Юпитера, находящийся от своей звезды на расстоянии 92 а.е., а вместе с ней - в 385 световых годах от Солнца. Также "Уэбб" ведёт изучения глубокого космоса, удалённых галактик и т.п. Полное впечатление, что прошарить пространство вокруг ближайших звёзд на предмет наличия там небольших планет он по меньшей мере мог бы попробовать, но... Такую задачу перед ним даже не ставят (по крайней мере, она не является для его эксплуатантов первоочередной).
Нет, существующие экзопланеты, обнаруженные транзитным методом, "Уэбб" изучает - и с его помощью совершены многочисленные связанные с ними открытия. Но вот просто рассматривать окрестности звёзд на предмет наличия планет... Нет: насколько я понимаю, ничего подобного он не делает.
А зря. Обнаружение близких экзопланет земного типа существенно прибавило бы интереса к космическим исследованиям в обществе - что, в конечном счёте, позитивно бы сказалось и на их финансировании.
PS: Да, разумеется, таким образом можно обнаружить только ближайшие к нам экзопланеты. Но именно они и представляют же практический интерес.
См. также