Поиски внеземной жизни при помощи Солнца в качестве гравитационного телескопа

Астрономия, ‎вне‏ ‎всякого ‎сомнения, ‎одна ‎из ‎самых‏ ‎интересных ‎областей‏ ‎физики.‏ ‎В ‎последние ‎несколько‏ ‎десятилетий ‎одним‏ ‎из ‎процветающих ‎направлений ‎в‏ ‎этой‏ ‎области ‎был‏ ‎поиск ‎экзопланет.‏ ‎И ‎хотя ‎первую ‎планету ‎открыли только‏ ‎в‏ ‎1992 ‎году,‏ ‎на ‎начало‏ ‎апреля ‎2020 ‎года ‎существует ‎уже‏ ‎4 144 подтверждённые экзопланеты.‏ ‎Нас,‏ ‎как ‎любителей‏ ‎НФ, ‎естественно,‏ ‎больше ‎всего‏ ‎интересуют‏ ‎те ‎55 из‏ ‎них, которые ‎считаются ‎потенциально ‎обитаемыми. ‎К‏ ‎сожалению, ‎с‏ ‎обычными‏ ‎телескопами ‎у ‎нас‏ ‎не ‎получится‏ ‎сделать ‎фотографию ‎Земли ‎2.0‏ ‎с‏ ‎такой ‎детализацией,‏ ‎которая ‎позволила‏ ‎бы ‎нам ‎понять, ‎есть ‎ли‏ ‎у‏ ‎неё ‎особенности,‏ ‎свидетельствующие ‎о‏ ‎наличии ‎жизни.

Недавно ‎очередной ‎этап ‎конкурса‏ ‎Программы‏ ‎инновационных‏ ‎передовых ‎концепций‏ ‎НАСА ‎(NIAC), по‏ ‎результатам ‎которого‏ ‎будет‏ ‎распределяться ‎финансирование,‏ ‎прошла ‎миссия по ‎использованию ‎Солнца ‎в‏ ‎качестве ‎гравитационной‏ ‎линзы.‏ ‎Её ‎цель ‎–‏ ‎изменить ‎текущую‏ ‎ситуацию ‎с ‎телескопами, ‎воспользовавшись‏ ‎эффектом‏ ‎солнечного ‎гравитационного‏ ‎линзирования.

Всё ‎началось‏ ‎с ‎Эйнштейна

Галактика ‎LRG ‎3-757 с ‎сильным‏ ‎гравитационным‏ ‎линзированием; ‎вид‏ ‎через ‎телескоп‏ ‎Хаббла

Неудивительно, ‎что ‎именно ‎Эйнштейн ‎в‏ ‎1936‏ ‎году‏ ‎подсчитал, что ‎гравитационное‏ ‎поле ‎звезды‏ ‎может ‎служить‏ ‎линзой. Если‏ ‎объект ‎расположен‏ ‎за ‎звездой ‎на ‎линии ‎прямой‏ ‎видимости ‎некоего‏ ‎наблюдателя,‏ ‎то ‎для ‎него‏ ‎её ‎изображение‏ ‎сформирует ‎кольцо. ‎Сегодня ‎это‏ ‎явление‏ ‎называют ‎кольцом‏ ‎Эйнштейна. Только ‎в‏ ‎1979 ‎году ‎этот ‎эффект ‎был‏ ‎открыт‏ ‎экспериментально ‎–‏ ‎два ‎подозрительно‏ ‎одинаковых ‎наблюдаемых ‎объекта ‎оказались одним ‎и‏ ‎тем‏ ‎же‏ ‎объектом, ‎изображение‏ ‎которого ‎дублировалось‏ ‎гравитационной ‎линзой.‏ ‎Сегодня‏ ‎гравитационное ‎линзирование‏ ‎используется ‎для ‎подсчёта количества ‎и ‎распространения‏ ‎тёмной ‎материи.‏ ‎Как‏ ‎уже ‎ясно ‎из‏ ‎начала ‎этой‏ ‎статьи, ‎благодаря ‎тому, ‎что‏ ‎гравитационная‏ ‎линза ‎усиливает‏ ‎яркость ‎объектов,‏ ‎она ‎может ‎работать ‎и ‎в‏ ‎качестве‏ ‎гравитационного ‎телескопа,‏ ‎позволяя ‎находить тусклые‏ ‎галактики ‎ранней ‎Вселенной.

ИИ ‎и ‎астрономы-любители‏ ‎помогают‏ ‎искать‏ ‎иголки ‎в‏ ‎стоге ‎сена

Гравитационные‏ ‎линзы ‎попадаются‏ ‎редко,‏ ‎и ‎чтобы‏ ‎найти ‎их, ‎сначала ‎нужно ‎пересмотреть‏ ‎тысячи ‎изображений‏ ‎различных‏ ‎галактик. ‎Кроме ‎того,‏ ‎остаётся ‎нетривиальной‏ ‎задачей ‎распознать ‎и ‎исправить‏ ‎искажение‏ ‎изображения, ‎произошедшее‏ ‎в ‎гравитационной‏ ‎линзе. ‎Поэтому ‎проект ‎Space ‎Warps полагался‏ ‎на‏ ‎астрономов-любителей ‎в‏ ‎поисках ‎гравитационных‏ ‎линз ‎в ‎данных, ‎снятых ‎астрокамерой‏ ‎Hyper‏ ‎Suprime-Cam. Также‏ ‎для ‎фильтрации‏ ‎данных ‎астрономических‏ ‎обзоров ‎можно‏ ‎использовать‏ ‎алгоритмы ‎с‏ ‎машинным ‎обучением. ‎В ‎частности, ‎для‏ ‎поиска ‎гравитационных‏ ‎линз‏ ‎уже ‎были ‎использованы свёрточные‏ ‎нейросети ‎такого‏ ‎же ‎рода, ‎которые ‎занимаются‏ ‎распознаванием‏ ‎лиц ‎в‏ ‎проекте ‎DeepFace‏ ‎от ‎Facebook.

Используем ‎Солнце ‎в ‎качестве‏ ‎линзы

Концепция‏ ‎миссии ‎солнечной‏ ‎гравитационной ‎линзы

У‏ ‎гравитационной ‎линзы, ‎в ‎отличие ‎от‏ ‎оптической,‏ ‎фокус‏ ‎оказывается ‎не‏ ‎точкой, ‎а‏ ‎линией. ‎Как‏ ‎видно‏ ‎на ‎картинке,‏ ‎проект ‎солнечной ‎гравитационной ‎линзы ‎(SGL)‏ ‎фокусирует ‎входящий‏ ‎свет‏ ‎на ‎линии, ‎начинающейся‏ ‎на ‎расстоянии‏ ‎в ‎550 ‎а.е. от ‎Солнца.‏ ‎Если‏ ‎расположить ‎в‏ ‎этой ‎точке‏ ‎телескоп, ‎то ‎SGL ‎сможет ‎усилить‏ ‎яркость‏ ‎удалённого ‎объекта‏ ‎примерно ‎в‏ ‎1011 ‎раз ‎и ‎дать ‎угловое‏ ‎разрешение‏ ‎в‏ ‎10-10”. ‎Для‏ ‎экзопланеты ‎размером‏ ‎с ‎Землю,‏ ‎находящейся‏ ‎на ‎расстоянии‏ ‎в ‎30 ‎парсек ‎(100 ‎световых‏ ‎лет), ‎телескоп‏ ‎SGL‏ ‎дал ‎бы ‎разрешение‏ ‎в ‎25‏ ‎км ‎на ‎пиксель, ‎что‏ ‎позволило‏ ‎бы ‎нам‏ ‎разглядеть ‎особенности‏ ‎её ‎поверхности ‎и ‎найти ‎признаки‏ ‎обитаемости.

Нитка‏ ‎жемчуга ‎с‏ ‎солнечными ‎парусами

Как,‏ ‎с ‎точки ‎зрения ‎художника, ‎могло‏ ‎бы‏ ‎выглядеть‏ ‎изображение ‎землеподобной‏ ‎планеты, ‎полученное‏ ‎телескопом ‎SGL

Концепцию‏ ‎SGL‏ ‎хорошо ‎объясняют‏ ‎в ‎приведённом ‎ниже ‎видеоролике. ‎Одной‏ ‎из ‎крупных‏ ‎проблем‏ ‎будет ‎доставка ‎до‏ ‎фокальной ‎точки‏ ‎Солнца. ‎Самый ‎далёкий ‎космический‏ ‎зонд‏ ‎на ‎сегодня,‏ ‎Вояджер-1, ‎был‏ ‎запущен ‎в ‎1977 ‎году ‎и‏ ‎находится‏ ‎на ‎расстоянии‏ ‎в ‎148‏ ‎а.е. ‎При ‎такой ‎скорости ‎движения‏ ‎у‏ ‎него‏ ‎ушло ‎бы‏ ‎более ‎150‏ ‎лет ‎на‏ ‎то,‏ ‎чтобы ‎добраться‏ ‎до ‎ближайшей ‎фокальной ‎точки ‎SGL.‏ ‎Современные ‎двигатели‏ ‎на‏ ‎химическом ‎топливе ‎или‏ ‎ядерной ‎энергии‏ ‎не ‎подходят ‎к ‎требованиям‏ ‎по‏ ‎скорости ‎и‏ ‎долговременной ‎работе‏ ‎этого ‎проекта. ‎Вместо ‎них ‎в‏ ‎SGL‏ ‎предлагается ‎использовать‏ ‎солнечные ‎паруса,‏ ‎которые ‎будут ‎двигаться ‎благодаря ‎радиационному‏ ‎давлению‏ ‎Солнца.‏ ‎Подлетев ‎поближе‏ ‎к ‎Солнцу,‏ ‎космический ‎корабль‏ ‎SGL‏ ‎сможет ‎разогнаться‏ ‎до ‎скорости ‎25 ‎а.е./год, ‎и‏ ‎долететь ‎до‏ ‎нужной‏ ‎фокальной ‎точки ‎менее‏ ‎чем ‎за‏ ‎25 ‎лет.

Однако ‎было ‎бы‏ ‎непрактично‏ ‎использовать ‎один-единственный‏ ‎корабль, ‎поскольку‏ ‎во ‎время ‎долгого ‎полёта ‎высок‏ ‎риск‏ ‎отказа ‎оборудования.‏ ‎Вместо ‎этого,‏ ‎согласно ‎концепции ‎миссии ‎будет ‎использован‏ ‎подход‏ ‎“нитки‏ ‎жемчуга” ‎–‏ ‎в ‎нём‏ ‎каждая ‎жемчужина‏ ‎будет‏ ‎состоять ‎10-20‏ ‎небольших ‎космических ‎кораблей ‎(микроспутников) ‎весом‏ ‎до ‎100‏ ‎кг,‏ ‎летящих ‎строем. ‎А‏ ‎вся ‎нить‏ ‎будет ‎состоять ‎из ‎нескольких‏ ‎бусин,‏ ‎запускаемых ‎с‏ ‎интервалом ‎в‏ ‎1 ‎год. ‎

Избыточность ‎в ‎виде‏ ‎множества‏ ‎микроспутников ‎уменьшает‏ ‎риск ‎провала‏ ‎миссии, ‎устраняя ‎единую ‎точку ‎отказа.‏ ‎Также‏ ‎это‏ ‎позволит ‎распределить‏ ‎стоимость ‎миссии‏ ‎во ‎времени‏ ‎и‏ ‎между ‎участниками‏ ‎– ‎в ‎ином ‎случае ‎миссия‏ ‎такого ‎масштаба‏ ‎вряд‏ ‎ли ‎сможет ‎найти‏ ‎достаточно ‎финансов.

Каждый‏ ‎микроспутник ‎будет ‎работать ‎по‏ ‎большей‏ ‎части ‎автономно,‏ ‎что ‎будет‏ ‎тем ‎важнее, ‎чем ‎дальше ‎он‏ ‎будет‏ ‎улетать ‎от‏ ‎Земли. ‎В‏ ‎конечной ‎точке ‎задержка ‎сигнала ‎будет‏ ‎составлять‏ ‎порядка‏ ‎четырёх ‎дней.‏ ‎Чтобы ‎достичь‏ ‎автономной ‎навигации,‏ ‎обработки‏ ‎данных ‎и‏ ‎управления ‎отказами, ‎миссия ‎SGL ‎предполагает‏ ‎использовать ‎несколько‏ ‎новых‏ ‎технологий ‎из ‎сферы‏ ‎ИИ, ‎а‏ ‎также ‎таких ‎загадочных ‎технологий,‏ ‎как‏ ‎“объясняемый ‎ИИ”,‏ ‎“машины ‎с‏ ‎обучением ‎в ‎течение ‎всей ‎жизни”,‏ ‎“обучение‏ ‎с ‎минимумом‏ ‎разметки” ‎и‏ ‎“нейроморфные ‎чипы“.

Также ‎возникают ‎проблемы ‎с‏ ‎оборудованием‏ ‎для‏ ‎получения ‎изображений.‏ ‎Для ‎блокирования‏ ‎прямого ‎света‏ ‎от‏ ‎Солнца ‎используется‏ ‎коронограф ‎с ‎фазовой ‎маской, ‎работающей‏ ‎по ‎схеме‏ ‎деструктивной‏ ‎интерференции. ‎Однако ‎свет‏ ‎от ‎короны‏ ‎Солнца ‎всё ‎равно ‎остаётся,‏ ‎и‏ ‎накладывается ‎на‏ ‎кольцо ‎Эйнштейна.‏ ‎Для ‎уменьшения ‎наложения ‎телескоп ‎нужно‏ ‎расположить‏ ‎ещё ‎дальше‏ ‎от ‎Солнца,‏ ‎на ‎расстоянии ‎порядка ‎650 ‎а.е.‏ ‎Наконец,‏ ‎телескоп‏ ‎будет ‎недостаточно‏ ‎крупным ‎для‏ ‎того, ‎чтобы‏ ‎видеть‏ ‎всё ‎кольцо‏ ‎Эйнштейна ‎целиком. ‎Изображение ‎экзопланеты ‎земного‏ ‎размера, ‎находящейся‏ ‎на‏ ‎расстоянии ‎в ‎30‏ ‎парсек, ‎SGL‏ ‎сжимает ‎в ‎цилиндр ‎диаметром‏ ‎порядка‏ ‎1,3 ‎км,‏ ‎находящийся ‎в‏ ‎непосредственной ‎близости ‎от ‎фокальной ‎линии.‏ ‎Чтобы‏ ‎метровый ‎телескоп‏ ‎получил ‎изображение‏ ‎размером ‎1000 ‎х ‎1000 ‎пикселей,‏ ‎космическому‏ ‎кораблю‏ ‎придётся ‎сканировать‏ ‎эту ‎область‏ ‎попиксельно, ‎двигаясь‏ ‎с‏ ‎шагом ‎в‏ ‎1,3 ‎м. ‎А ‎потом ‎изначальное‏ ‎изображение ‎экзопланеты‏ ‎можно‏ ‎будет ‎воссоздать ‎при‏ ‎помощи ‎алгоритма‏ ‎обращения ‎свёртки.

Когда ‎мы ‎этого‏ ‎достигнем?

Когда‏ ‎же ‎мы‏ ‎сможем ‎получить‏ ‎первое ‎изображение ‎экзопланеты ‎высокого ‎разрешения?‏ ‎Естественно,‏ ‎график ‎реализации‏ ‎проекта ‎такого‏ ‎масштаба ‎будет ‎весьма ‎размыт, ‎и‏ ‎даты‏ ‎могут‏ ‎легко ‎меняться‏ ‎на ‎5-10‏ ‎лет. ‎В‏ ‎отчёте о‏ ‎второй ‎фазе‏ ‎финансирования ‎утверждается, ‎что ‎необходимые ‎технические‏ ‎доработки ‎позволят‏ ‎осуществить‏ ‎запуск ‎проекта ‎в‏ ‎2028-2030-х ‎годах.‏ ‎Следовательно, ‎реалистично ‎будет ‎ожидать‏ ‎получения‏ ‎первых ‎данных‏ ‎от ‎проекта‏ ‎в ‎начале ‎2060-х.

На ‎какую ‎планету‏ ‎они‏ ‎будут ‎смотреть?‏ ‎Поскольку ‎до‏ ‎того, ‎как ‎миссия ‎SGL ‎достигнет‏ ‎своей‏ ‎цели,‏ ‎наверняка ‎будет‏ ‎открыто ‎несколько‏ ‎новых ‎потенциально‏ ‎обитаемых‏ ‎планет, ‎её‏ ‎цель ‎ещё ‎не ‎определена ‎окончательно.‏ ‎На ‎сегодня‏ ‎одним‏ ‎из ‎наиболее ‎многообещающих‏ ‎кандидатов ‎кажется‏ ‎TRAPPIST-1e – скалистая ‎планета ‎размером ‎почти‏ ‎с‏ ‎Землю, ‎возможно,‏ ‎содержащая ‎воду,‏ ‎и ‎расположенная ‎на ‎расстоянии ‎в‏ ‎12,1‏ ‎парсек. ‎Эту‏ ‎планету ‎более‏ ‎пристально ‎изучит ‎телескоп ‎имени ‎Джеймса‏ ‎Уэбба, который‏ ‎планируется‏ ‎запустить ‎в‏ ‎следующем ‎году.

Что‏ ‎они ‎будут‏ ‎искать?‏ ‎Поиски ‎признаков‏ ‎обитаемости ‎будут ‎включать ‎в ‎себя‏ ‎спектроскопическое ‎исследование‏ ‎атмосферы‏ ‎на ‎предмет ‎наличия‏ ‎таких ‎биомаркеров,‏ ‎как ‎кислород ‎и ‎метан.‏ ‎Также‏ ‎можно ‎будет‏ ‎поискать ‎искусственные‏ ‎источники ‎света ‎и ‎радиопередачи.

Солнце ‎не‏ ‎только‏ ‎позволило ‎жизни‏ ‎возникнуть ‎на‏ ‎Земле ‎– ‎оно ‎может ‎стать‏ ‎инструментом‏ ‎поиска‏ ‎жизни ‎на‏ ‎других ‎планетах.‏ ‎Здорово, ‎что‏ ‎на‏ ‎вопрос ‎о‏ ‎том, ‎одиноки ‎ли ‎мы ‎во‏ ‎Вселенной, ‎можно‏ ‎будет‏ ‎получить ‎ответ ‎ещё‏ ‎при ‎нашей‏ ‎жизни. ‎Заставляет ‎задуматься, ‎а‏ ‎сколько‏ ‎подобных ‎телескопов‏ ‎в ‎данный‏ ‎момент ‎направлено ‎на ‎нашу ‎планету.