Эй, прикинь, если бы инопланетяне шпионили за нами из космоса, как в крутых фантастических фильмах? Ну вот, они бы, наверное, офигели, если бы увидели нашу планету. И это нам реально помогает в поисках других живых миров, похожих на Землю.
Помнишь, как в романе Герберта Уэллса «Война миров» марсиане вторглись на Землю? Вот такая же идея часто встречается в фантастике. Например, в «Конце детства» Артур Кларк писал про инопланетян, которые миллионы лет наблюдали за нами из космоса, а потом решили захватить планету.
Мы, люди, тоже ищем такие планеты. За последние годы астрономы нашли почти 5000 экзопланет. И это не просто поиск, а попытка понять, что там происходит. Мы рисуем, как выглядят вулканы или штормы на этих планетах, чтобы они казались нам более реальными.
Но пока что, даже с новым супертелескопом Джеймса Уэбба, мы не сможем разглядеть на далеких планетах ничего, кроме светящихся точек. Джонатан Цзян, ученый из NASA, говорит, что ближайшие лет 50-100 нам придется довольствоваться этим.
Но мы можем попробовать представить, как наша Земля выглядит для инопланетян. Если мы поймем, как она выглядит с их точки зрения, то сможем искать такие же признаки жизни на других планетах.
Новые глаза на инопланетные миры
Есть два крутых метода, которые помогут нам искать жизнь на экзопланетах. Первый — это спектроскопия пропускания. Она изучает, как звездный свет проходит через атмосферу планеты. Если в атмосфере есть газы, они поглощают свет на определенных длинах волн, оставляя "отпечатки" в спектре. Эти отпечатки могут показать наличие кислорода, озона или даже признаков цивилизации, например, хлорфторуглеродов или диоксида азота.
Но пока астрономы не смогли снять спектры пропускания с планет, похожих на Землю, вокруг звезд, похожих на наше Солнце. Дело в том, что атмосферы этих планет очень тонкие. Но с запуском JWST и миссии PLATO от ЕКА (запуск в 2026 году) у нас появится шанс. Эти миссии будут изучать более мелкие звезды, называемые "М-карликами". Вокруг них вращается много экзопланет, и некоторые из них могут быть обитаемыми. Например, система TRAPPIST-1 с семью планетами, четыре из которых находятся в зоне, где может быть жизнь.
Второй метод — это прямая съемка планет. JWST и будущий телескоп Nancy Grace Roman смогут это делать. Также есть планы на миссии LUVOIR и HabEx от НАСА. Они будут захватывать свет, отраженный от поверхности планет. Но даже с такими мощными телескопами мы увидим только размытые пиксели, которые не покажут нам океаны, континенты или биологические сигналы.
Спектроскопия пропускания тоже имеет свои ограничения. "Свет, который проходит через атмосферу планеты, — это смесь того, что происходит на разных высотах", — говорит астроном Лаура Майорга. Это затрудняет определение условий на поверхности планеты, где, возможно, есть жизнь.
Облака на экзопланетах еще больше усложняют задачу. Они непрозрачны и не дают свету пройти через атмосферу, что ограничивает наши знания о составе атмосферы. К тому же, уровень солнечного излучения, падающего на планету, постоянно меняется из-за солнечных пятен и вспышек. Это может скрыть важные сигналы или дать ложные результаты при поиске биосигнатур.
На кого ты смотришь?
Цзян и Майорга думают, что доказательства жизни на других планетах можно найти, изучая свет от них. Но чтобы убедиться, что их методы работают, они сначала хотят проверить их на Земле. Мы, конечно, не можем полететь к другой звезде и наблюдать за нашей планетой оттуда.
В 2015 году у Цзяна возникла идея. Климатическая обсерватория глубокого космоса NASA (DSCOVR) только что прибыла на точку Лагранжа L1, в 1,5 миллионах километров от Земли. Она постоянно смотрит на Землю, делая красивые снимки. Почему бы не использовать эти изображения, чтобы понять, как наша планета выглядит для инопланетян?
Цзян и его команда из Калтеха начали с того, что собрали данные DSCOVR за два года. Затем они создали тысячи поддельных планет, меняя пропорции океанов, суши и облаков. Они усреднили информацию для каждой поддельной планеты и показали данные нейросети. Они думали, что нейросеть сможет научиться распознавать нашу планету.
Идея сработала! Команда Цзяна смогла выделить 24-часовую смену дня и ночи, а также узоры облаков, континентов и океанов. Затем Цзян обратился к "планетарной сложности". Астробиолог Стюарт Бартлетт предположил, что сложные взаимодействия между биологией, геологией и погодой на обитаемых планетах делают их сложнее, чем необитаемые. Сложность, утверждал он, может быть универсальной меткой жизни, независимо от того, насколько планета похожа на Землю.
Чтобы проверить это, Цзян и Бартлетт использовали метод "реконструкция машины Эпсилон". Этот метод позволяет вычислять сложность. Они применили его к своим поддельным планетам и даже к "экзоюпитеру", который они получили из данных миссии "Кассини". Они показали, что статистическая сложность действительно помогает определить сложность планетарных характеристик. Экзоюпитер, безжизненный, но с драматическими штормами и ветрами, стал испытанием для идеи Бартлетта. Но эта идея прошла проверку: поддельная Земля оказалась на 50% сложнее поддельного Юпитера.
Луна спешит на помощь
Цзян придумал способ искать жизнь среди звезд, не пытаясь угадать химию или предполагать, что инопланетяне похожи на нас. Проблема в том, что его метод использует данные DSCOVR, который летает между Землей и Солнцем. Этот аппарат не видит, как Земля проходит перед Солнцем, и поэтому не может помочь с поиском жизни.
Но тут на помощь приходит Луна. Во время лунного затмения Луна проходит через тень Земли и отражает солнечный свет, который прошел через нашу атмосферу. Этот свет выглядит жутко красным, и его спектр содержит информацию о нашей атмосфере.
Наземные телескопы уже давно фиксируют спектр пропускания Земли во время затмений, но в 2019 году ученые из Университета Колорадо использовали данные космического телескопа Хаббл, чтобы получить спектр в ультрафиолетовых частотах. Это важно, потому что ультрафиолетовый свет может помочь найти озон (O3), который является побочным продуктом кислорода (O2). Озон может указывать на наличие жизни на экзопланетах. Ученые успешно выделили сигнатуру озона Земли, что открывает новые возможности для поиска жизни.
Недавно Майорга предложил запустить спутник Earth Transit Observer, который будет работать рядом с JWST. Этот спутник поможет астрономам понять, как глубоко в атмосферу экзопланет можно проникнуть с помощью спектроскопии пропускания. Он также может показать, как биосигнатуры меняются из-за солнечных вспышек или изменений погоды на Земле. Майорга считает, что эта миссия поможет создать стандарты для будущих исследований экзопланет.
Патрисия Бойд из Центра космических полетов имени Годдарда предложила установить камеру на Луне. Эта камера, названная EarthShine, будет измерять свет от Земли в разных фазах — от полумесяца до полного диска. Это даст астрономам больше данных о циклических изменениях на Земле и поможет отличить их от биологических изменений на экзопланетах. Например, изменения цвета деревьев осенью или цветение водорослей.
Поляризация: новый способ смотреть на экзопланеты
Есть ещё один способ изучать экзопланеты, помимо обычной съемки и спектроскопии. Он заключается в анализе поляризации света, который меняется при отражении от поверхности. Гладкие поверхности, такие как спокойная вода, отражают свет с узкой поляризацией, в то время как грубые поверхности, например, камни или растения, отражают его под разными углами.
Майкл Стерзик и его команда из Европейской южной обсерватории первыми начали изучать, как свет отражается от Земли и возвращается от Луны (это было опубликовано в Nature 483). Эта работа вдохновила ученых из Делфтского технического университета создать модель отражения света от скалистых экзопланет.
Астрофизик Дора Клинджич из Делфта считает, что лед, вода, снег, облака и континенты могут оставлять следы в поляризованном свете. Она даже планирует создать инструмент под названием LOUPE, который будет размером с кредитку. Этот прибор поможет будущим телескопам, таким как LUVOIR, точнее изучать экзопланеты. LOUPE можно будет установить на Луну, орбитальные аппараты или марсоходы, чтобы постоянно собирать данные о свете, отраженном от Земли.
Youngblood считает, что такие эксперименты, как LOUPE, важны сейчас, когда разрабатываются телескопы для изучения экзопланет. Хотя LOUPE улавливает только линейно поляризованный свет, исследователи из Лейденского университета хотят изучить и циркулярно поляризованный свет. Свет от растений становится циркулярно поляризованным благодаря хлоропластам, и это может быть признаком жизни.
Виллеке Малдер из Лейденского университета говорит, что главная сложность — измерить эти слабые сигналы на большом расстоянии. Чтобы проверить концепцию, её команда запустила прототип инструмента с мобильным поляриметром над Швейцарскими Альпами. Устройство успешно различало травяные поля, леса и города, а также обнаружило фотосинтезирующие организмы в озерах. Малдер надеется использовать эту технологию на Международной космической станции.
План, от которого кружится голова
Есть одна безумная идея в поисках инопланетной жизни. Представьте себе: отправляем корабль в дальний космос, в 10 раз дальше Плутона. Оказывается, Эйнштейн еще в 1936 году придумал, что свет, огибающий Солнце, искривляется его гравитацией и собирается в одну точку в 800 миллионах километров от Солнца. В 2017 году исследователи из Калтеха — Слава Турышев, Майкл Шао и Луис Фридман — сообразили, что если поставить там тепловизоры, можно будет наблюдать свет от далеких экзопланет, искривленный Солнцем (смотри рисунок 3).
Их проект называется Солнечная гравитационная линза (SGL). Это будет мега-задача, но если его построят, результаты будут потрясающими. Телескоп диаметром один метр на таком расстоянии будет видеть как огромное зеркало в 90 000 км. Вместо одного пикселя света, SGL покажет детали поверхности в десятки километров и состав атмосферы в том же масштабе. Штормы, горы и другие штуки будут видны как на ладони.
«Если там есть что-то необычное, типа Великой Китайской стены, мы это увидим», — говорит Турышев, который руководит командой NASA по расчету оптики SGL. Чтобы привлечь внимание к проекту, Турышев смоделировал, как будет выглядеть Земля, если смотреть на нее с SGL. На этих снимках мы, возможно, увидим признаки жизни или даже признаки технологической цивилизации.
Турышеву 58 лет, и он понимает, что SGL построят не скоро. «Я хочу увидеть изображение экзопланеты до того, как мне стукнет 100», — шутит он. Но, может быть, с телескопами, использующими Солнце для фокусировки света, и нейросетями, которые будут искать признаки жизни в мерцании света экзопланет, мы однажды сможем стать межзвездными вуайеристами, как в фантастике Герберта Уэллса.