Хотите увидеть другую Землю? Вот почему солнечная гравитация — наш самый мощный телескоп

Мы живём в удивительную эпоху. Астрономы открыли тысячи экзопланет — миров, вращающихся вокруг далёких звёзд. Некоторые из них находятся в «зоне обитаемости», где теоретически может существовать жидкая вода. Но что мы о них знаем на самом деле? Почти ничего. Для нас это всего лишь точки данных: лёгкое потускнение звезды, когда планета проходит перед ней, или едва заметное покачивание светила под действием гравитации невидимого спутника.

А что, если бы мы могли увидеть одну из этих планет? Не просто как пиксель, а как настоящий мир с континентами, океанами и облаками. Представьте себе карту ближайшего к нам аналога Земли, пускай даже размером всего 10 на 10 пикселей. Это стало бы, без преувеличения, величайшим открытием в истории человечества.

Но как это сделать? Недавно физик из Лаборатории реактивного движения НАСА Слава Турышев опубликовал работу, в которой безжалостно, но честно разбирает все существующие идеи. И его вывод ошеломляет: почти все наши современные и даже будущие технологии для этой задачи безнадёжны. Кроме одной, которая кажется взятой прямиком из научной фантастики.

Слишком далеко, слишком тускло: почему обычные телескопы не справятся

Первое, что приходит на ум, — построить огромный телескоп. Что-то вроде проектируемого космического гиганта LUVOIR с 15-метровым зеркалом. Звучит внушительно, правда? Но давайте посчитаем.

Чтобы разглядеть детали на планете, расположенной, скажем, в 32 световых годах от нас, нужно феноменальное разрешение. По расчётам Турышева, даже у самых амбициозных телескопов вроде LUVOIR или наземного гиганта ELT разрешение примерно в 10 000 раз ниже необходимого. Это как пытаться разглядеть футбольный мяч в другом городе.

Но есть и вторая, куда более серьёзная проблема — «фотонный бюджет». Планета сама по себе не светится, она лишь отражает свет своей звезды. С расстояния в десятки световых лет до нас долетают жалкие крохи этих фотонов. При этом её родная звезда сияет в миллиарды раз ярче. Пытаться выделить фотоны от планеты — всё равно что пытаться услышать шёпот во время рёва реактивного двигателя.

Даже если направить LUVOIR на нужную точку и терпеливо ждать, то, по расчётам, для сбора достаточного количества фотонов и составления карты 10x10 пикселей потребуется… 1900 лет. С наземным ELT, которому мешает ещё и атмосфера, всё ещё печальнее — 41 000 лет. Очевидно, это не вариант.

Хитрые уловки и их ахиллесова пята

Хорошо, если «в лоб» не получается, может, схитрить? Учёные рассматривают и другие подходы.

Например, интерферометрия. Идея в том, чтобы объединить свет от нескольких небольших телескопов, разнесённых в космосе на большое расстояние. Вместе они работают как один гигантский виртуальный телескоп. Чтобы достичь нужного разрешения, их пришлось бы разнести на 130 километров! Синхронизировать работу такой армады с точностью до нанометров — задача, которая находится далеко за пределами наших сегодняшних инженерных возможностей. Но даже если бы мы справились, сбор света всё равно занял бы тысячи лет. Снова тупик.

А что насчёт «звёздных экранов» (starshades)? Это огромные заслонки, которые летят на большом расстоянии перед телескопом и блокируют свет звезды, позволяя разглядеть тусклую планету рядом. Идея красивая, но опять же требует немыслимой точности координации. И хотя она сокращает время наблюдения с тысячелетий до столетий, проблему низкого разрешения она не решает.

План «Б»: просто полететь туда?

Если гора не идёт к Магомету… может, отправить зонд прямо к планете? Проекты вроде Breakthrough Starshot предполагают разгон миниатюрных аппаратов до 20% скорости света.

И снова дьявол в деталях. На такой головокружительной скорости зонд пролетит мимо планеты всего за несколько минут. За это время ему нужно успеть всё сфотографировать, проанализировать и — самое сложное — отправить данные домой через десятки световых лет. У нас нет технологии связи, способной передать такой объём информации с такого расстояния с помощью лёгкого передатчика, который можно уместить на крошечном зонде.

Похоже, мы в тупике. Все наши технологии, даже самые смелые, упираются в фундаментальные законы физики или требуют тысячелетий.

Эйнштейн спешит на помощь: гравитация как идеальная линза

И вот тут на сцену выходит идея, которую продвигает Слава Турышев. Идея, основанная на одном из самых красивых предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. Что, если использовать в качестве телескопа… само Солнце?

Согласно Эйнштейну, массивные объекты, такие как наше Солнце, искривляют пространство-время вокруг себя. Для света это искривление работает как гигантская линза. Лучи света от далёкого объекта (нашей экзопланеты), проходящие у края Солнца, не просто отклоняются, а фокусируются в одной точке.

Эта точка находится очень далеко — на расстоянии не менее 550 астрономических единиц от Солнца (астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца). Это в 14 раз дальше, чем от нас до Плутона. Но преимущества, которые даёт такая «солнечная гравитационная линза» (SGL), колоссальны.

• Усиление света: Гравитационная линза Солнца усиливает свет от экзопланеты в десятки миллиардов раз! Проблема «фотонного бюджета» исчезает. Нам больше не нужно ждать тысячи лет, чтобы собрать достаточно света.
• Разрешение: Разрешающая способность такой системы позволяет не то что увидеть карту 10x10 пикселей, а разглядеть на поверхности планеты детали размером в десятки километров.

Звучит как фантастика? Отчасти. Чтобы это сработало, нам нужно отправить космический аппарат в фокальную точку — за 550 а.е. от Солнца. Добравшись туда, он должен будет двигаться по кругу, сканируя «изображение», создаваемое линзой. Это сложнейшая инженерная задача, но, в отличие от всех остальных методов, она не имеет фундаментальных физических запретов. Это вопрос технологий, которые мы можем разработать в ближайшие десятилетия, а не тысячелетия.

В своей работе Турышев, по сути, провёл ревизию наших мечтаний. Он показал, что путь к изображению другой Земли долог и труден, но он существует. И лежит он не через постройку всё более крупных зеркал, а через использование самой мощной силы во Вселенной — гравитации. Миссия SGL — это не просто ещё один проект. Это, возможно, единственный реальный шанс для нашего поколения заглянуть в другой, далёкий и, кто знает, возможно, обитаемый мир.