Увидеть мир в луче света

Sep 02, 2023

Первое полноцветное изображение, полученное телескопом Уэбб, публично опубликованное президентом Байденом 11 июля 2022 года. В центре изображения находится скопление галактик под названием SMACS 0723. Изображение предоставлено НАСА, ЕКА, CSA и STScI.

Джошуа Н. Винн, 24 августа 2023 г.

11 июля 2022 года президент США Байден представил первое официальное изображение, полученное с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. «И сегодня», — сказал Байден, представляя это публичное мероприятие, — «мы собираемся увидеть… свет из других миров, вращающихся вокруг звезд, находящихся далеко за пределами нашей собственной». Он говорил о потенциале телескопа Уэбба в изучении экзопланет, что является одной из самых горячих тем в астрофизике и находится в центре моих исследований на протяжении почти 20 лет.

Затем изображение было представлено: панорама тысяч далеких галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет, каждая из которых содержит бесчисленное количество звезд. Захватывающий дух! Я знал, что это порадует моих коллег по космологии, изучающей всю Вселенную, а не какую-то конкретную галактику, звезду или планету. Я сделал пометку заказать большую печать для своего офиса.

Это был потрясающий способ начать пресс-мероприятие, но где же экзопланеты? Я ждал, что Билл Нельсон, глава НАСА, поразит президента Байдена экзопланетными данными.

Мое предвкушение росло, когда Нельсон восторгался телескопом: «Он будет настолько точным, что вы увидите, есть ли планеты, из-за химического состава, который мы можем определить с помощью этого телескопа в их атмосфере, являются ли эти планеты обитаемый». На что президент ответил: «Это потрясающе. Интересно, как обстоят дела с прессой в других местах». Затем президент ушел.

Какое разочарование! НАСА упустило возможность продемонстрировать одну из величайших сверхспособностей телескопа Уэбба — способность исследовать атмосферы планет, находящихся на расстоянии световых лет, и, возможно, даже обнаруживать молекулы, указывающие на жизнь.

Я понимаю, почему Нельсон придерживался изображения галактики, даже когда говорил об экзопланетах. Легко оценить изображения прекрасных галактик и восхититься разнообразием цветов и форм, размышляя об их огромных размерах и далеких расстояниях. Но мы не можем сделать изображения экзопланет. Даже с помощью наших самых мощных телескопов далекая звезда выглядит как бесструктурная светящаяся точка. Гораздо более слабый свет от любой орбитальной планеты обычно теряется в ярком свете звезды.

Тем не менее, мы можем многое узнать об экзопланетах. Например, одной из первых целей телескопа Уэбба была планета Бокапринс, вращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, расположенной на расстоянии 700 световых лет от нас в направлении созвездия Девы. Хотя Бокапринс невозможно увидеть ни на одном изображении, мы знаем, что его диаметр составляет около 91 000 километров, его «год» (время, необходимое для совершения полного оборота вокруг звезды) составляет 4,06 земных дня, а его атмосфера содержит углекислый газ, воду пар и диоксид серы.

Что это за колдовство? Как телескоп Уэбба или любой другой телескоп может раскрыть такие интимные подробности о невидимой планете? Вот что я бы сказал президенту Байдену:

Хитрость заключается в наблюдении затмений. С нашей точки зрения в галактике орбита Бокапринса проходит прямо перед ее родной звездой, блокируя небольшую часть света звезды. Во время затмения звезда, кажется, теряет яркость примерно на 2%, из чего можно сделать вывод, что планета покрывает около 2% видимой поверхности звезды. Исходя из этого факта, мы можем вычислить диаметр планеты. Эти миниатюрные затмения повторяются каждые 4,06 дня, тем самым показывая продолжительность «года» планеты.

Чтобы исследовать атмосферу планеты, мы проделываем еще один трюк: наблюдаем затмения с помощью спектрографа — устройства, которое превращает звездный свет в радугу цветов. Во время затмения некоторые цвета радуги кажутся немного темнее, чем обычно. Это связано с тем, что небольшая часть звездного света проходит через атмосферу планеты, а каждая молекула в атмосфере имеет уникальный набор «любимых цветов», которые она поглощает больше других. Наблюдая, какие цвета отсутствуют в радуге, мы можем определить ответственные за это молекулы.