Землеподобных берут на мушку

В понедельник 16 апреля с американского космодрома на мысе
Канаверал предполагалось запустить космический аппарат TESS
(Transiting Exoplanet Survey Satellite, спутник для поиска транзитных
экзопланет).
Однако в последний момент из-за технических неполадок,
обнаруженных у ракеты-носителя Falcon 9, запуск отложили — как было
объявлено, предположительно на 48 часов.
Если в дальнейшем все сложится удачно, этот космический аппарат в
течение как минимум ближайших двух лет будет регулярно подпитывать
мировое астрофизическое сообщество свежими данными о возможном
наличии планет за пределами Солнечной системы.

Фактически TESS рассматривается в качестве промежуточного сменщика заслуженного космического охотника — телескопа NASA Kepler, выведенного на орбиту в 2009 году: спецы из NASA в различных интервью используют стандартную фразу: «Kepler передает эстафетную палочку TESS». 

Что же касается самого Kepler, то его топливные ресурсы на исходе и скорее всего уже в этом году он перестанет радовать нас новыми открытиями. Однако его научный вклад трудно переоценить. Всего в астрономическом реестре на данный момент значатся более 3700 официально подтвержденных экзопланет, и, по разным оценкам, на долю Kepler приходится от 2300 до 2700, а еще порядка 4500 его потенциальных находок пока числятся в кандидатском списке.

Список очередников

За будущим планетным уловом TESS, выходящего на космическую вахту, тоже уже выстроилась солидная очередь.

На первых местах в списке желающих подвергнуть дальнейшему анализу изображения, которые будут получать камеры TESS, — различные наземные обсерватории, в частности VLT (Very Large Telescope), самый мощный комплекс телескопов Паранальской обсерватории в чилийской пустыне Атакама.

Данные TESS могут пригодиться и для динозавра астрофизики космического телескопа Hubble, который был запущен на низкую околоземную орбиту еще в 1990 году и до сих пор продолжает работать в космосе после нескольких технических апгрейдов, последний из которых был осуществлен NASA в 2009-м.

Еще одним важным получателем информации от TESS может стать исследовательский спутник CHEOPS — альтернативный проект по поиску экзопланет, курируемый ESA (Европейским космическим агентством) и Center for Space and Habitability Бернского университета Швейцарии. CHEOPS (Characterising Exoplanets Satellite) планируется вывести на орбиту при помощи ракеты-носителя «Союз» с космодрома Куру, но, по всей вероятности, это произойдет уже в следующем году.

Однако самым перспективным потребителем предварительных разведданных TESS руководство NASA пока считает официального преемника Hubble — инфракрасный космический телескоп James Webb. 

Правда, согласно пресс-релизу NASA, опубликованному в конце марта, запуск James Webb должен произойти не ранее чем в мае 2020 года, то есть почти на год позже, чем планировалось еще в сентябре прошлого года. Общая стоимость этого очередного мегапроекта сегодня уже вплотную приблизилась к девяти миллиардам долларов).

И, наконец, на новый космический аппарат очень рассчитывают «простые» астрофизики из сторонних научных организаций, которые будут участвовать в специальной TESS Guest Investigator Program —Программе приглашенных исследователей TESS, запускаемой NASA. Эта программа призвана обеспечить ученых дополнительными полезными сведениями о различных космических объектах и процессах, формально не являющихся целями миссии TESS.

Глазастый разведчик

TESS — совместный научно-исследовательский проект NASA и Массачусетского технологического института (MIT). Этот проект был запущен в MIT в 2006 году, а спустя два года первые инвестиции для разработки широкоформатных цифровых камер аппарата были получены от Google и The Kavli Foundation.

В том же 2008 году TESS был впервые предложен руководству американского космического агентства в качестве составной части программы Small Explorers (так называемой Малой исследовательской программы NASA), но тогда его не одобрили. Вторая попытка оказалась успешной — в сентябре 2011-го TESS вошел в число 11 отобранных NASA проектов-кандидатов в рамках переформатированной Explorers Program, а в 2013-м ему наконец дали итоговое «добро». 

В том же году компания Orbital Sciences (теперь она называется Orbital ATK Inc.) получила от NASA четырехлетний контракт на строительство (сборку) самого космического аппарата, а в декабре 2014-го тендер на его запуск на орбиту выиграла SpaceX Илона Маска.

Первоначально планировалось, что TESS будет отправлен в космос 20 марта 2018 года, но руководство SpaceX в последний момент договорилось с NASA об отсрочке запуска для более полноценной предполетной подготовки ракеты-носителя Falcon 9 FT.

TESS, безусловно, следует отнести к категории низкобюджетных: официально обнародованные затраты на проект составляют очень скромные по меркам NASA 243 млн долларов, хотя ряд СМИ называется сумму побольше — порядка 340 млн долларов. 

Общий вес аппарата составляет 362 кг, его размеры – 1,2 × 1,5 метра. Аппарат оснащен двумя панелями солнечных батарей, способных вырабатывать 400 Вт.

Главный же и, по сути, единственный его научный инструмент — «умный» боекомплект из четырех телескопов с широкими полями обзора (любопытно, что в пресс-релизе MIT десятилетней давности говорилось, что его планируется оснастить шестью камерами высокого разрешения, но затем разработчики TESS или же его кураторы из NASA , по-видимому, решили немного сэкономить на научном инструментарии). Каждый из четырех телескопов TESS — широкоугольный рефрактор с полем зрения 24 × 24 градуса. На все телескопы установлены разработанные в Lincoln Laboratory MIT специальные ПЗС-камеры (полупроводниковые светоприемники с зарядовой связью) общим размером фотоприемных матриц 67,2 мегапикселей (4 × 16,8).

Размещение аппарата TESS внутри головного обтекателя Falcon 9

NASA

Благодаря тому что эти камеры способны обеспечить панорамный круговой охват, TESS должен уже в ходе первого, основного этапа своей работы покрыть порядка 85% видимого звездного неба. 

В течение двух лет его камеры будут последовательно сканировать 26 небесных секторов размерами 24 × 96 градусов, причем в первый год обзору подвергнутся 13 таких секторов в южном полушарии, а во второй год — 13 секторов в северном. 

Каждый из этих секторов планируется обследовать в течение 27 суток, и каждые две недели аппарат будет передавать данные на Землю (средняя скорость передачи данных — 100 Мбит/с на протяжении четырех часов). Эти сеансы связи будут осуществляться при прохождениях точки перигея — ближайшего к Земле орбитального расстояния, которое должно составлять порядка 107–108 тыс. км. 

В свою очередь максимальное расстояние от нашей планеты для выбранной специалистами NASA уникальной высокоэллиптической орбиты спутника — 376 тыс. км. (иными словами, орбитальный разброс расстояний от Земли должен составить от 17 до 59 ее радиусов). При этом нужно особо отметить, что эта хитроумная орбита, официально называемая P/2, никогда ранее не использовалась для полетов космических аппаратов. 

Наклонение этой орбиты (угол между плоскостью орбиты спутника и плоскостью земного экватора) должно составить 37 градусов, а период обращения вокруг нашей планеты — 13,7 земных суток. И, что немаловажно, космический аппарат будет постоянно находиться за пределами ее радиационного пояса, что позволит минимизировать воздействие на чувствительную оптику ионизирующего излучения, а в идеале должно также обеспечить очень устойчивый тепловой режим для работы детекторов TESS — диапазон температурных колебаний в среднем оценивается не более чем в 0,1 К/час.

Согласно предварительным расчетам, эта орбита должна быть очень стабильной: каких-либо серьезных энергозатрат для удержания аппарата на целевой траектории не потребуется на протяжении как минимум двадцати лет.

Однако следует уточнить, что для выведения космического аппарата на конечную стабильную орбиту P/2 сначала ему необходимо совершить целую серию сложных корректирующих маневров — в общей сложности на это планируется потратить около 60 земных суток. Соответственно, если все пройдет в соответствии с теоретическими расчетами, TESS должен приступить к выполнению своей научно-исследовательской миссии спустя 68 дней после запуска.

Транзитный контроль

Новый космический телескоп TESS, как и его славный предшественник Kepler, жестко нацелен на использование проверенной временем методики обнаружения предположительных экзопланет — так называемого метода транзита. Этот метод, обеспечивший обнаружение большинства таких объектов, известных к настоящему времени астрофизикам, базируется на улавливании сверхчувствительными детекторами телескопов регулярных микроскопических падений обычной светимости звезд при периодическом пересечении их дисков вращающимися вокруг них планетами (или иными космическими телами-соседями).

Однако телескоп Kepler при помощи этого метода прежде всего вычислял объекты — кандидаты в экзопланеты, находящиеся весьма далеко от нашей Солнечной системы. Так, по оценкам известного американского астрофизика Сета Шостака, основной улов Kepler пришелся на экзопланеты, вращающиеся вокруг звезд на расстоянии от 500 до 1500 световых лет от Земли или Солнца.

Поэтому перспективы дальнейшего, более детального изучения физико-химических характеристик таких удаленных экзопланет представлялись ученым, мягко говоря, туманными.

Подготовка космического аппарата TESS к запуску

Wikimedia.Commons

В свою очередь, главная научно-исследовательская задача, которая поставлена перед космическим аппаратом TESS, — целенаправленное изучение куда более близких к нам звездных систем: его детекторы должны сконцентрироваться на светилах, расположенных не далее чем в 300 световых годах от Земли. 

При прочих равных речь также идет об изучении звезд, средняя яркость которых от 30 до 100 раз выше, чем у стандартного набора Kepler. 

Благодаря такой их повышенной яркости и относительной близости к Земле в распоряжении ученых в идеале наконец должен оказаться обильный набор экзопланетных объектов-кандидатов, атмосфера которых, в частности, может быть затем подвергнута спектроскопическому анализу, в том числе при помощи наземных научных приборов. Дело в том, что при планетарном транзите часть звездного света проходит сквозь атмосферу планеты, прежде чем достичь Земли (то есть наблюдателя). А поскольку различные газы, входящие в состав ее атмосферы, поглощают световую энергию в строго определенных интервалах длин волн (полосах), расположенных в разных частях спектра, ученые смогут определить состав атмосферы планеты на основании спектрального анализа этого света. 

Следует также отметить, что панорамный охват телескопов TESS должен позволить ему покрыть значительно большую область небесной сферы по сравнению со своим непосредственным предшественником Kepler: по оценкам интернет-портала Space.com, новый космический аппарат сможет документально запротоколировать примерно в 350 раз бо́льшую площадь уже по итогам первых двух лет своей работы.

И, разумеется, еще одним очевидным акцентом миссии TESS станет поиск землеподобных каменистых планет, которые формально могут быть отнесены к категории потенциально обитаемых.

Полезные М-карлики и горящие фонари

В ходе своей миссии, точнее ее первого двухгодичного этапа, TESS предположительно должен прочесать окрестности примерно 200 тыс. близлежащих звезд, и его научные кураторы надеются, что он сможет значительно расширить экзопланетный каталог и выявит не менее полутора тысяч транзитных экзопланет, с самыми разными размерами и орбитальными периодами, включая крупную выборку (не менее трети от общего числа) суперземель (Super Earths) — планет, размеры которых больше, чем у Земли, но меньше, чем у Нептуна. 

Впрочем, на долю землеподобных экзопланет, то есть, условно говоря, планет, диаметр которых составляет не более четырех земных, по скептическим прикидкам ряда специалистов, придется лишь несколько десятков объектов из будущей общей выборки TESS.

В то же время сами разработчики этого проекта хотят добиться существенного увеличения полезного выхода за счет преимущественной фокусировки на более холодных и тусклых звездах спектрального класса М (М-карликах).

В частности, главный научный руководитель миссии TESS Джордж Рикер из MIT в одном из своих недавних интервью уточнил, что потенциально обитаемые планеты должны вращаться на очень небольших расстояниях вокруг звезд этого класса, для того чтобы получать от последних достаточно тепла, из чего, в свою очередь, следует, что их звездные транзиты будут происходить в среднем намного чаще, чем у их сородичей с более протяженными орбитами и, следовательно, вероятность обнаружения таких планет при помощи детекторов TESS, по идее, должна быть выше.

Кроме того, еще одним плюсом таких карликовых звезд класса М для наблюдающих за ними телескопов является то, что их типичные размеры составляют лишь около половины размеров нашего Солнца (которое, к слову, относится к более солидному спектральному классу G). Поэтому выявить «транзитное воздействие» на их излучение со стороны обращающихся вокруг них планет, опять-таки, теоретически легче, так как оно должно приводить к более серьезному снижению их обычной светимости.

Наконец, подчеркивает Джордж Рикер, типичная длина световых волн, испускаемых М-карликами, составляет порядка одного микрона, что позволяет очень хорошо выявлять их при помощи специализирующихся на инфракрасном диапазоне телескопов. А именно к этому типу телескопов, как мы уже отмечали выше, относится James Webb, который в скором будущем должен стать главным потребителем первичных данных, аккумулируемых его маленьким предшественником TESS. 

James Webb, который благодаря своим огромным зеркалам сможет детектировать свет, исходящий непосредственно от самих экзопланет (а не только от их звезд), в идеале и должен стать важнейшим поставщиком той самой детализированной информации об их физико-химических характеристиках, в том числе о массе, радиусе, орбитальных периодах и даже о наличии у таких планет собственных спутников.

Правда, как отметил известный астрофизик из Гарвардского университета Дэвид Лэтем, около двадцати лет работающий в команде проекта Kepler, упорное стремление земных астрофизиков обнаружить в окружающем нас космическом пространстве экзопланеты, обладающие теми или иными формальными признаками биологической активности, схожими с нашими (в частности, ориентирующимися на наличие в их атмосферах водяного пара и кислорода), вполне может оказаться совершенно не соответствующим вселенской действительности: «Мы полагаем, будто знаем, что нам следует искать, но я вовсе не исключаю, что на самом деле все эти наши поиски сродни действиям пьяницы, который ищет потерянные ключи от своей квартиры под горящим фонарем».