Новый фотонный прибор поможет найти обитаемые планеты: ученые приблизились к поиску жизни за пределами Солнечной системы

На протяжении тысячелетий человечество задается вопросом, существует ли жизнь где-то еще во Вселенной. Еще недавно этот вопрос оставался скорее философским, однако сегодня он постепенно превращается в инженерную и технологическую задачу. Чтобы обнаружить потенциально обитаемые планеты за пределами Солнечной системы, ученым необходимо создать приборы, способные увидеть чрезвычайно слабый свет небольших каменистых миров, практически полностью скрытых ярким сиянием своих звезд. Именно над решением этой проблемы сейчас работают специалисты Университета Центральной Флориды, разрабатывающие новую фотонную технологию, которая может стать важной частью будущих космических обсерваторий NASA.

Проект получил название PEEPSS — спектроскопическая система исследования экзопланет с использованием современных фотонных технологий. Его главная задача заключается в создании принципиально нового способа наблюдения за экзопланетами, который позволит не только обнаружить небольшие миры, похожие на Землю, но и изучить состав их атмосфер. Именно атмосфера может содержать химические признаки, указывающие на существование условий, благоприятных для жизни.

Поиск подобных планет считается одной из самых сложных задач современной астрономии. За последние три десятилетия ученые обнаружили уже более пяти тысяч экзопланет, а их реальное количество в нашей галактике, по современным оценкам, исчисляется сотнями миллиардов. Однако подавляющее большинство известных миров удалось найти косвенными методами — например, по небольшому уменьшению яркости звезды во время прохождения планеты по ее диску или по едва заметному гравитационному воздействию на саму звезду.

Такие методы позволяют определить размеры, массу и орбиту планеты, но практически не дают возможности увидеть ее напрямую. Именно прямые наблюдения необходимы для детального изучения атмосферы, температуры поверхности и возможных признаков биологической активности.

Главная проблема заключается в колоссальной разнице яркости между звездой и вращающейся вокруг нее планетой. Если представить землеподобную планету рядом со звездой, похожей на Солнце, то свет звезды будет примерно в десять миллиардов раз ярче отраженного света самой планеты. Даже самые совершенные современные телескопы испытывают огромные трудности при попытке отделить столь слабый сигнал от ослепительного звездного излучения.

Для решения этой задачи астрономы используют специальные устройства — коронографы. Эти оптические системы закрывают изображение самой звезды, подобно тому как Луна во время полного солнечного затмения закрывает солнечный диск, позволяя увидеть окружающую его корону. Однако даже самые современные коронографы не способны полностью устранить звездный свет.

Причина заключается в том, что любое, даже микроскопическое несовершенство зеркал, линз или других элементов телескопа вызывает появление паразитных световых артефактов. Для обычных астрономических наблюдений они практически незаметны, однако при поиске экзопланет становятся серьезнейшей проблемой. Даже если через оптическую систему проходит всего одна миллионная часть звездного света, этого оказывается достаточно, чтобы полностью скрыть сигнал от планеты, которая остается в тысячи раз слабее возникающих помех.

Именно поэтому разработчики проекта PEEPSS сосредоточились не столько на создании нового телескопа, сколько на создании технологии, позволяющей обнаруживать и устранять практически незаметные оптические ошибки непосредственно во время наблюдений.

Основой новой системы станет усовершенствованный метод измерения волнового фронта света. В современной оптике волновым фронтом называют форму световой волны, приходящей в телескоп. В идеальных условиях эта волна должна быть абсолютно ровной, однако любые дефекты оптической системы вызывают ее малейшие искажения. Даже отклонения размером в несколько нанометров способны привести к существенному ухудшению качества изображения.

Большинство существующих систем контроля анализируют форму световой волны еще до прохождения света через основные оптические элементы телескопа. Однако после этого свет продолжает двигаться через сложную систему зеркал, линз и коронографов, где возникают дополнительные ошибки, которые традиционные методы уже не способны обнаружить.

PEEPSS использует принципиально иной подход. Контроль осуществляется непосредственно в фокальной плоскости телескопа — именно там, где формируется научное изображение. Благодаря этому становится возможным выявлять и компенсировать даже те искажения, которые возникают на заключительном этапе прохождения света через всю оптическую систему.

Подобная схема значительно повышает точность наблюдений и позволяет практически полностью убрать остаточные световые помехи. Именно этот уровень точности необходим для поиска землеподобных планет, расположенных в так называемой зоне обитаемости своих звезд.

Под зоной обитаемости астрономы понимают область вокруг звезды, где температура позволяет существовать жидкой воде на поверхности планеты. Именно наличие жидкой воды считается одним из главных условий возникновения жизни в том виде, в каком она известна на Земле. Однако далеко не каждая планета в такой зоне автоматически становится пригодной для жизни. Большую роль играют состав атмосферы, наличие магнитного поля, геологическая активность и множество других факторов. Поэтому после обнаружения потенциально интересного объекта ученым предстоит подробно изучить его атмосферу.

Ключевым элементом проекта стали устройства нового поколения, получившие название фотонные фонари. Несмотря на необычное название, речь идет о сложнейших фотонных структурах, разработанных на основе современных оптических волокон.

Фотонный фонарь способен разделять входящий свет на множество независимых оптических каналов. Это позволяет не только измерять яркость светового сигнала, но и восстанавливать информацию о фазе световой волны — параметре, который обычные астрономические камеры практически полностью теряют во время регистрации изображения.

Для современной астрономии такая информация имеет огромное значение. Зная одновременно яркость и фазу света, компьютер может значительно точнее определить происхождение каждого фотона и отделить слабое излучение планеты от многочисленных оптических шумов. В результате существенно возрастает контраст изображения и становится возможным увидеть объекты, которые ранее полностью скрывались на фоне звездного света.

Именно на этом принципе основан новый подход, который исследователи называют квантово-инспирированной визуализацией. Несмотря на название, речь не идет о квантовых компьютерах или квантовой механике в прямом смысле. Метод использует математические подходы, вдохновленные свойствами квантовых систем, позволяя значительно эффективнее обрабатывать световые сигналы и извлекать максимум информации из каждого зарегистрированного фотона.

Развитие подобных технологий стало возможным благодаря быстрому росту новой научной области — астрофотоники. Она объединяет достижения астрономии, фотоники, волоконной оптики, квантовой физики и высокоточной инженерии. Современные фотонные устройства уже используются при создании спектрографов, систем адаптивной оптики и интерферометров, а теперь становятся перспективным инструментом и для поиска внеземной жизни.

Университет Центральной Флориды сегодня считается одним из мировых лидеров в разработке фотонных фонарей. Лишь несколько научных центров обладают необходимыми технологиями для их создания, испытаний и интеграции в будущие космические инструменты. В проекте также участвуют специалисты Калифорнийского университета в Санта-Крузе, Сиднейского университета и Института космического телескопа, объединяя экспертов в области астрономии, фотоники, оптического приборостроения и обработки изображений.

В настоящее время проект PEEPSS рассчитан на три года. За это время исследователи планируют изготовить несколько экспериментальных образцов фотонных фонарей, провести их лабораторные испытания, а затем проверить работу технологии на действующих телескопах. Некоторые варианты подобных устройств уже успешно тестировались на обсерваториях Гавайских островов в рамках международных научных программ.

Если испытания подтвердят ожидаемую эффективность новой технологии, фотонные системы смогут войти в состав будущей космической Обсерватории обитаемых миров — флагманской миссии NASA, которая рассматривается как один из главных проектов следующего поколения после космического телескопа «Джеймс Уэбб». Основной задачей новой обсерватории станет прямое обнаружение десятков землеподобных планет возле ближайших звезд и проведение спектрального анализа их атмосфер.

Особый интерес представляют такие вещества, как кислород, озон, водяной пар, метан и углекислый газ. По отдельности они не являются доказательством существования жизни, однако определенные сочетания этих газов могут свидетельствовать о биологических процессах. Именно поиск подобных биосигнатур считается одной из главных целей будущих астрономических миссий.

Обнаружение хотя бы одной планеты с атмосферой, напоминающей земную, уже станет крупнейшим достижением современной науки. А если удастся зафиксировать убедительные признаки биологической активности, это событие может войти в число самых значимых открытий за всю историю человечества. Оно не только изменит представления о происхождении жизни, но и позволит впервые получить научно обоснованный ответ на вопрос, который люди задают себе с древнейших времен: одиноки ли мы во Вселенной.

Сегодня инженеры и астрономы делают еще один шаг к этому ответу. Современные телескопы становятся все чувствительнее, методы обработки данных — все совершеннее, а фотонные технологии открывают возможности, которые еще несколько лет назад казались недостижимыми. Возможно, уже в следующем десятилетии именно такие приборы позволят человечеству впервые увидеть не просто далекую экзопланету, а мир, на котором существуют условия, удивительно похожие на земные. И тогда вопрос о существовании жизни за пределами Солнечной системы перестанет быть предметом догадок, превратившись в область точного научного знания.