Как два зонда НАСА совершили революцию в науке

Еще недавно ученые считали, что у Земли нет аналогов за пределами Солнечной системы. Но благодаря двум миссиям НАСА — космическому телескопу "Кеплер" и зонду Dawn, эти представления были разрушены. РИА Новости рассказывает о революции в астрономии. 

"Тридцать пять лет назад, когда заговорили о создании "Кеплера", мы не знали ни одной планеты вне Солнечной системы. Теперь установлено, что планет в Галактике больше, чем звезд. "Кеплер" показал: у будущих поколений землян есть вполне реальный шанс на изучение и колонизацию Млечного Пути", — приводит сайт НАСА слова Уильяма Боруцки (William Borucki), первого научного руководителя миссии. 

До конца прошлого века картина Галактики была довольно простой. Астрономы полагали, что в ней миллиарды звезд, некоторое количество черных дыр, гигантских газопылевых туманностей, а также тысячи пульсаров и других "выгоревших" звезд.

Отсутствие свидетельств об иных мирах заставляло планетологов гадать, какие уникальные условия сложились в Солнечной системе для того, чтобы тут образовались сразу девять планет.

Первые планеты вне Солнечной системы открыли совсем не там, где ожидали, — в окрестностях как раз одного из "мертвых" светил, пульсара PSR B1257+12 в созвездии Девы. В 1992 году польские астрономы заметили необычные нарушения в частоте его радиовспышек, указавшие на существование как минимум одного спутника.

Дальнейшие наблюдения за этим объектом, названным "Лич", выявили источник этих аномалий — две крупные каменистые планеты, вращавшиеся очень близко к пульсару. 

Это открытие поставило перед астрономами целый ряд новых вопросов: сколько планет в Млечном Пути, чем обусловлена невероятно высокая масса космической свиты "Лича", есть ли различия между планетами обычных звезд и пульсаров, как возникают эти небесные тела и существует ли на них жизнь? 

Долгое время приходилось ограничиваться гипотезами, так как у планетологов не было опыта проведения масштабной "переписи" миров за пределами Солнечной системы, как и возможности "пощупать" ее предположительные стройблоки, следы которых сохранились в астероидах и кометах.

Классические способы открытия планет, опиравшиеся на небольшие сдвиги в спектре свечения звезд и частоте вспышек пульсаров, годились для поисков экзомиров лишь у одиночных светил. Частичная "перепись" только ближайших окрестностей Солнца заняла бы у ученых столетия, если не тысячи лет.

Это стало возможным благодаря развитию компьютерных технологий и появлению новой методики поисков экзопланет — так называемого "транзитного метода", жертвовавшего точностью наблюдений ради очень существенного увеличения в скорости и массовости подобных открытий.

Речь идет не только об увеличении мощности бортовых и наземных компьютеров, необходимых для параллельной обработки данных, но и о создании сверхчувствительных и компактных фотоматриц, способных работать в космосе. 

Высокая чувствительность камер была не праздным излишеством, а критически важным элементом транзитного метода, основанного на том, что яркость далеких звезд немного падает, когда по его диску проходит одна или несколько планет.

Подобные события зафиксировать достаточно сложно, учитывая огромное количество разных случайных факторов и процессов в недрах звезд, влияющих на их яркость. Новые статистические методы и большие мощности компьютеров позволяют "выловить" их, если наблюдать за одним и тем же светилом достаточно долго.

Именно так работал "Кеплер" — космическая обсерватория НАСА стоимостью 600 миллионов долларов, выведенная на орбиту в марте 2009 года. По сути это гигантская зеркальная цифровая камера, собранная из 42 фотоматриц. Их общее разрешение составляло примерно 95 мегапикселей, а общий объем вырабатываемых данных был так велик, что телескоп мог отправлять лишь около 5 процентов из них на Землю в режиме "трансляции".

Свет попадал на эти матрицы через очень сложные легкие и дорогие зеркала и линзы, покрывавшие примерно такую же область неба, что и кулак вытянутой руки. Вся эта система была настроена таким образом, чтобы телескоп мог получать максимально достоверные данные о колебаниях в яркости звезд, из-за чего страдала четкость снимков. 

В первый период работы "Кеплер" постоянно смотрел в одну точку, расположенную на границе созвездий Лебедя, Лиры и Дракона, одновременно наблюдая за колебаниями в яркости примерно 150 тысяч звезд, похожих на Солнце. За небольшой их частью он следил фактически непрерывно, фиксируя изменения в яркости каждую секунду. Данные по остальным светилам обновлялись раз в несколько секунд или минут ради экономии памяти и процессорного времени.

После поломки одного из стабилизаторов и перехода в новый режим работы, где роль гироскопа играл поток частиц солнечного ветра, первый "охотник за планетами" начал следить и за другими звездами, изучив в общей сложности около 530 тысяч светил до своего отключения в конце октября этого года.

Что удалось открыть "Кеплеру"? Оказалось, что почти все представления планетологов о том, как могут выглядеть планеты и как часто они встречаются, были частично или даже полностью ошибочными.

Во-первых, как отметил Боруцки, уже первые годы наблюдений "Кеплера" убедительно показали, что в Галактике насчитываются миллиарды планет, и по текущим оценкам НАСА, в Млечном Пути их больше, чем звезд.

В пользу этого говорит то, что за девять лет работы "Кеплер" обнаружил примерно 5,5 тысячи "кандидатов" на роль планет, в том числе десятки потенциальных аналогов Земли, находящихся внутри "зоны жизни". Примерно половина из них сегодня признана полноценными экзопланетами — их существование подтверждено наблюдениями при помощи других телескопов. 

Во-вторых, данные этой "переписи" указали на то, что землеподобные экзомиры встречаются в Галактике гораздо чаще, чем считали ученые. Предполагалось, что самыми распространенными планетами должны быть так называемые "горячие юпитеры". Так ученые называют планеты-гиганты, вращающиеся крайне близко к светилу и разогретые до сверхвысоких температур.

Благодаря "Кеплеру" установили, что это не так: небольшие каменистые планеты вращаются вокруг примерно каждой второй звезды, похожей на Солнце, а горячие юпитеры встречаются гораздо реже. Здесь, правда, есть одно небольшое "но": почти все эти миры относятся к числу так называемых "суперземель", планет, чья масса в три-четыре раза больше, чем у Земли, но об их структуре, составе и свойствах мы пока ничего не знаем.

Еще одна неожиданность была связана с тем, где обитают эти "непонятные" планеты, — часть из них оказалась "жительницами" двойных и даже тройных звездных систем, своеобразных аналогов Татуина из вымышленной вселенной "Звездных войн".

Раньше большинство ученых считали, что планеты у таких звезд не могут образоваться в принципе из-за гравитационных нестабильностей, однако "Кеплер" обнаружил дюжину подобных звездных систем, а также нашел намеки на существование "татуинов" — аналогов Земли. 

Помимо этого, телескоп открыл несколько других экзотических планетных семей, значительно подорвавших веру астрономов в уникальность Солнечной системы. К примеру, вращение миров в системе Kepler-80 оказалось синхронизовано таким образом, что они выстраиваются в одну и ту же фигуру каждые 27 дней, — похожим образом связаны Плутон и Нептун, а также Юпитер и ряд комет.

Орбиты двух "суперземель" в системе Kepler-36 расположены так близко, что почти касаются друг друга, но столкновения никогда не произойдет из-за синхронизации их вращения. Еще экзотичнее выглядит звездная система Kepler-90: она состоит из восьми малых и крупных планет, как и Солнечная система, но целиком уместилась бы в пространство между Солнцем и Землей или в пустоте между орбитами Марса и Юпитера.

Открытие этих необычных систем, а также отсутствие прямых аналогов Солнечной системы в "улове" телескопа заставили ученых задуматься о том, насколько уникальна Земля, Венера, Марс и прочие планеты нашей звездной семьи. 

"Кеплер" и другие орбитальные телескопы, к сожалению, не могут дать ответ на этот вопрос по двум причинам. Они умеют открывать новые планеты, но не позволяют понять, как выглядят эти миры, есть ли на них "кирпичики жизни", а также подсчитать, как много суперземель и прочих "экзотических" миров, не похожих на Землю, встречается в Галактике.

Вполне возможно, что миниатюрных планет, похожих на Землю по размерам, на самом деле еще больше, чем их "видит" Кеплер, что потенциально сделает Солнечную систему менее уникальной, чем она кажется нам сейчас. Доказать или опровергнуть эту идею, как отмечал в беседе с РИА Новости астроном, профессор университета Колорадо (США) Фил Армитаж (Phil Armitage), пока невозможно.

С другой стороны, часть ответов на этот сложный вопрос в НАСА уже получили благодаря еще одной космической миссии — зонду Dawn, первой "многоразовой" межпланетной автоматической станции.

Она была запущена в сентябре 2007 года, а в июле 2011-го зонд впервые в истории вышел на орбиту вокруг Весты — астероида главного пояса. Через пять лет Dawn достиг Цереры и проработал на ее орбите до этой осени. 

Как связаны эти крупные, но заурядные малые небесные тела Солнечной системы с открытиями "Кеплера" и изучением экзопланет? Дело в том, что данные, собранные Dawn, показали, что обе эти карликовые планеты были своеобразными "неудавшимися" зародышами планет, которые в прошлом могли превратиться в Землю, ее "больших сестер" или даже планеты-гиганты.

Тысячи подобных планетарных "эмбрионов" возникали на первых стадиях формирования Солнечной системы и других планетных семей. Их дальнейшая судьба зависела от бесчисленного множества параметров, в том числе удаленности от светила, времени рождения, химического состава и многих других свойств, "отголоски" которых сохранились в материи Цереры и Весты.

Первые подобные следы научная команда Dawn нашла в кратере "Реясильвия" на южном полюсе Весты почти семь лет назад. Инструменты зонда обнаружили здесь не только крупные запасы воды, указавшие на возможный путь их "доставки" на Землю и другие обитаемые миры, но и намеки на то, что в ядре, мантии и коре Весты присутствуют магматические горные породы, образующиеся лишь в ходе "горячих" геологических процессов. 

Это подтвердило "эмбриональную" природу этой карликовой планеты и указало на то, что подобные небесные тела формировались в первые мгновения жизни Солнечной системы. Это открытие значительно сузило число возможных вариантов формирования Земли, суперземель и других экзопланет.

Более того, дальнейшее изучение поверхности Весты показало, что она может быть покрыта своеобразной "шубой из пыли", защищенной от солнечного ветра и состоящей из первичной материи Солнечной системы. Забор ее проб, соответственно, позволит еще больше сузить эту неопределенность.

Перелет Dawn на Цереру, в свою очередь, помог закрыть один из пробелов, связанных с поисками следов "кирпичиков жизни" в космосе. Оказалось, что примерно половина поверхности этой карликовой планеты покрыта большими запасами органических молекул, во что раньше тоже никто не верил. 

Это значительно упрощает поиски ответа на главный вопрос о зарождении жизни на Земле: откуда на нашей планете появились ее стройблоки. Открытия Dawn говорят, что они или присутствовали тут изначально, или их доставили подобные протопланетные тела, с которыми Земля сталкивалась в первые мгновения своей жизни.

Как подчеркивают представители и той, и другой миссии, объем собранных научных данных настолько велик, что ученые пока еще не завершили их анализ. Возможно, в этой кипе информации скрываются и другие интересные открытия, приближающие человечество к ответу на главные вопросы — насколько мы уникальны и где еще во Вселенной существует жизнь.