Сияющий звездный свет в поисках жизни

Наша собственная планета дает некоторое вдохновение для решения этого вопроса. Микробы наполняют воздух метаном. Фотосинтезирующие растения выделяют кислород. Возможно, эти газы можно обнаружить везде, где есть жизнь

Но в мирах, сильно отличающихся от нашего, предполагаемые признаки жизни могут быть вызваны небиологическими процессами. Чтобы узнать истину тогда, когда её увидят, говорит астроном Кевин Франс из Университета Колорадо в Боулдере, необходимо смотреть за пределы самой планеты, на сверкающую звезду, вокруг которой она вращается.

С этой целью Франс и его команда разработали миссию SISTINE. 15-минутный полет метеорологической ракеты, во время которого будет вестись наблюдение далеких звезд, чтобы помочь понять признаки жизни на планетах, которые вращаются вокруг них. Миссия начнется на ракетном полигоне Белые пески в Нью-Мексико ранним утром 5 августа 2019 года.

Вскоре после того, как Земля образовалась 4,6 миллиарда лет назад, она была окружена вредной атмосферой. Вулканы извергали метан и серу. В воздухе было в 200 раз больше углекислого газа, чем сегодняшний уровень.

В течение еще миллиарда с половиной лет появился на сцене молекулярный кислород, который содержит два атома кислорода. Это был ненужный продукт, появившийся от древних бактерий в результате фотосинтеза. Но он положил начало так называемому Великому кислородному событию, навсегда изменившему атмосферу Земли и проложив путь более сложным формам жизни.

«У нас не было бы большого количества кислорода в атмосфере, если бы не было жизни на поверхности», сказал Франс.

Кислород известен как биомаркер: химическое соединение, связанное с жизнью. Его присутствие в атмосфере Земли намекает на формы жизни, скрывающиеся ниже. Но, как теперь показали сложные компьютерные модели, биомаркеры на Земле не настолько надежны для экзопланет или планет, вращающихся вокруг звезд в других частях Вселенной.

Франс указывает на звезды M-карлики. Они меньше и холоднее нашего Солнца, и составляют почти три четверти звездного населения Млечного Пути. Чтобы понять экзопланеты, которые вращаются вокруг них, ученые симулировали планеты размером с Землю, вращающиеся вокруг М-карликов. Отличия от Земли быстро проявились.

М-карлики генерируют интенсивный ультрафиолетовый свет. Когда этот свет ударил по моделируемой планете, подобной Земле, он вырвал углерод из углекислого газа, оставив после себя свободный молекулярный кислород. Ультрафиолетовый свет также разрушил молекулы водяного пара, выделяя отдельные атомы кислорода. Атмосфера создала кислород - но без жизни.

«Мы называем их ложноположительными биомаркерами», сказал Франс. «Можно производить кислород на планете, похожей на Землю, только с помощью фотохимии».

Низкие уровни кислорода на Земле без жизни были своего рода случайностью - отчасти благодаря нашему взаимодействию с Солнцем. Системы экзопланет с разными звездами могут отличаться. «Если мы думаем, что понимаем атмосферу планеты, но не понимаем звезду, у которой она вращается, мы скорее всего ошибаемся», считает Франс.

Франс и его команда разработали SISTINE для лучшего понимания звезд-хозяев и их влияния на атмосферу экзопланет. SISTINE (Suborbital Imaging Spectrograph for Transition region Irradiance from Nearby Exoplanet) измеряет высокоэнергетическое излучение этих звезд. Обладая знаниями о спектрах звезд-хозяев, ученые смогут лучше отличать истинные биомаркеры от ложноположительных на орбитальных планетах.

Чтобы выполнить эти измерения, SISTINE использует спектрограф, который разделяет свет на составные части.

SISTINE измеряет спектры на длинах волн от 100 до 160 нанометров, диапазон дальнего ультрафиолетового света, который может создавать кислород, и возможно генерируя ложноположительный результат. Световой поток в этом диапазоне зависит от массы звезды, то есть звезды разной массы почти наверняка будут отличаться от нашего Солнца.

SISTINE также может измерять вспышки или яркие звездные взрывы, которые одновременно испускают интенсивные дозы ультрафиолетового света. Частые вспышки могут превратить обитаемую среду в смертельную.

Миссия SISTINE будет летать на метеорологических ракетах Black Brant IX. Эти ракеты совершают короткие, целевые полеты в космос, прежде чем упасть обратно на Землю. Полет SISTINE даст около пяти минут наблюдения.

Несмотря на краткость, SISTINE сможет увидеть звезды на длинах волн, недоступных таким обсерваториям, как космический телескоп Хаббла.

Запланированы два запуска. Первый из Белых песков в августе будет для калибровки прибора. SISTINE пролетит 174 мили над поверхностью Земли, чтобы наблюдать NGC 6826 - облако газа, окружающее белого карлика, расположенное на расстоянии около 2000 световых лет в созвездии Лебедя. NGC 6826 яркий в ультрафиолетовом свете и показывает четкие спектральные линии - отличная цель для проверки оборудования.

После калибровки второй запуск последует в 2020 году из космического центра Арнем в Нхулунбюе, Австралия. Там они будут наблюдать ультрафиолетовые спектры Альфа Центавра A и B, двух самых больших звезд в трехзвездной системе Альфа Центавра. На расстоянии 4,37 световых лет эти звезды - наши ближайшие звездные соседи и основные цели для наблюдений экзопланет.

Наблюдения SISTINE и технологии, используемые для их получения, разработаны с учетом будущих задач.

Одним из них является космический телескоп НАСА Джеймс Уэбб, запуск которого запланирован на 2021 год. Обсерватория дальнего космоса будет видеть ближний инфракрасный свет - полезный для обнаружения экзопланет, вращающихся вокруг M-карликов. Наблюдения SISTINE могут помочь ученым понять свет этих звезд в длинах волн, которые Уэбб не сможет увидеть.

У SISTINE также будут новые пластины УФ-детекторов и новые оптические покрытия на зеркалах, призванные помочь лучше отражать, а не поглощать ультрафиолетовый свет. Полет этой технологии на SISTINE помогает проверить их для будущих больших космических телескопов НАСА.

Снимая звездные спектры и продвигая технологии для будущих миссий, SISTINE связывает то, что известно, с тем, что еще предстоит изучить.