Находки экзопланет к 2019 году перестали быть чем-то из ряда вон выходящим, но их фотографирование по-прежнему остается задачей, которая под силу только самым лучшим телескопам. Или, что почти то же самое, — телескопам с самыми большими зеркалами. Чем зеркало больше, тем больше оно собирает света и тем меньше на получившееся изображение влияют искажения, которые возникают вблизи краев в результате дифракции — явления, при котором световые волны рассеиваются при столкновении с препятствием.
Попытки построить возможно больший инструмент предпринимаются с момента изобретения телескопа. Однако прогресс в этом направлении тормозится рядом технических ограничений. Зеркала большого размера становится очень сложно отливать, обрабатывать и даже просто перевозить с завода в высокогорные обсерватории, а зеркала из составных сегментов требуют сверхточной установки. А еще многометровый телескоп представляет собой весьма массивную конструкцию, которую нужно при этом с высокой точностью и очень плавно передвигать в момент наблюдений. Даже поддержание микроклимата под куполом в буквальном смысле становится ночным кошмаром специалистов по вентиляции: створки открыты, а сквозняки недопустимы, поток воздуха создает помехи наблюдениям.
Впрочем, проблему под названием «нам нужно возможно больший телескоп» можно решить не только созданием Очень больших и Экстремально больших телескопов (оба словосочетания — реальные названия астрономических инструментов). Можно взять несколько телескопов в разных местах и проанализировать свет с их зеркал так, словно это разные части одного суперзеркала. Но эта идея при всей простоте формулировки тоже оказалась не столь проста в реализации — впервые воплотить ее в жизнь получилось только в 1975 году.
Читайте также: Десять утверждений про миры вне Солнечной системы. Основные факты об экзопланетах
Для анализа световых волн, приходящих на разные телескопы, физики приспособили интерференцию. Это явление можно объяснить так: если фазы двух волн совпадают, то горб одной приходится на горб другой, впадина накладывается на впадину и волна усиливается. Если же волны находятся в противофазе, то впадина приходится на горб и волны взаимно гасят друг друга.
Прибор, который использует этот эффект, называют интерферометром. Интерферометры фиксируют ничтожно малые изменения в распространении световых волн, и поэтому их применяют в самых разных сверхточных измерениях — от метрологии (разработка и поддержание стандартов измерений) до регистрации гравитационных волн.
В 2015 году специалисты ESO смонтировали интерферометр GRAVITY, который должен был изучать черные дыры. Но ему быстро нашли и иное применение. Этот прибор использует сразу четыре телескопа с зеркалами диаметром 8,2 метра у каждого и строит картинку такого качества, которое могло бы получиться на инструменте с зеркалом гораздо больше. При определенных условиях астрономы могут получать разрешающую способность, соответствующую стометровому телескопу. Это в разы больше даже строящегося по соседству Экстремально большого телескопа.
Первой экзопланетой, на которую навели связанные GRAVITY Очень большие телескопы, стала HR8799e в созвездии Пегаса. Этот открытый в 2010 году объект удален от Земли на 129 световых лет и примечателен тем, что представляет собой очень молодой по астрономическим меркам аналог Юпитера на малом расстоянии от своей звезды. В нашей собственной системе нет ничего подобного, и в то же время наблюдения за недавно сформированным газовым гигантом позволяют выйти на универсальные закономерности развития планетных систем.
HR8799e уже успешно фотографировали несколько раз (на видео выше она находится ближе всех к звезде), поэтому в этот раз астрономы пошли дальше. Они смогли получить спектр небесного тела с разрешением в десять раз лучше, чем ранее. Это буквально пролило свет на состав и даже строение атмосферы экзопланеты. По характерному поглощению света на определенных длинах волн ученые смогли сделать несколько важных выводов.
HR8799e окружена плотной оболочкой, в составе которой преобладает угарный газ. Это, по словам исследователей, весьма необычно: в сочетании с водородом и при температуре около 750 °С это соединение должно было перейти в метан. Раз этого не произошло, на планете должны быть мощные вертикальные потоки газа, обновляющие верхние слои атмосферы. Их нельзя увидеть даже при помощи GRAVITY, но наличие таких потоков хорошо согласуется и с наблюдениями, и с законами физической химии. Кроме того, считают астрономы, на HR8799e должны быть облака из смеси железа с кремнием. Наличие в атмосфере такой взвеси тоже говорит в пользу бушующих штормов с активным перемешиванием всего и вся, от водорода до мелкой пыли.
В сообщении ESO говорится о том, что возможности GRAVITY будут и дальше применять для изучения экзопланет. На сегодня человечество знает уже более 4000 планет вне Солнечной системы, и астрономы возлагают особые надежды именно на спектральный анализ их атмосфер. Теоретически он должен засечь и наличие жизни в привычном нам виде. Если, конечно, она где-то есть.
Алексей Тимошенко
