Спросите Итана: какие сюрпризы могут обнаружить будущие космические телескопы НАСА?

Примеры телескопов (функционирующих на февраль 2013), работающих на длинах волн по всему электромагнитному спектру. Обсерватории расположены над или под той частью спектра, которую они обычно наблюдают.

Когда в 1990-м был запущен космический телескоп Хаббл, с его помощью мы собирались провести целый вагон измерений. Мы собирались увидеть отдельные звёзды в дальних галактиках, которых до этого не видели; измерить глубокую Вселенную так, как до этого не получалось; заглянуть в регионы звёздного формирования и увидеть туманности в беспрецедентном разрешении; поймать извержения на лунах Юпитера и Сатурна так подробно, как не получалось ранее. Но самыми крупными открытиями – тёмная энергия, сверхмассивные чёрные дыры, экзопланеты, протопланетные диски – стали непредвиденные. Продолжится ли эта тенденция с телескопами Джеймс Уэбб и WFIRST? Наш читатель спрашивает:

Без фантазий по поводу какой-то радикально новой физики, какие результаты от Уэбба и WFIRST смогут больше всего удивить вас?

Чтобы сделать подобное предсказание, нам необходимо знать, на какие измерения способны эти телескопы.


Законченный и выведенный в космос телескоп Джеймс Уэбб в представлении художника. Обратите внимание на пятислойную защиту телескопа от солнечного жара

Джеймс Уэбб – космический телескоп нового поколения, который запустят в октябре 2018 [С момента написания оригинала статьи дату запуска перенесли на март-июнь 2019 года – прим. перев.]. После полного ввода в строй и охлаждения он станет самой мощной обсерваторией в истории человечества. Его диаметр составит 6,5 м, светосила превысит Хаббловскую в семь раз, а разрешение – почти в три раза. Он будет покрывать длины олн от 550 до 30 000 нм – от видимого света до инфракрасного. Он сможет измерять цвета и спектры всех наблюдаемых объектов, доводя до предела пользу от практически каждого поступившего в него фотона. Его расположение в космосе позволит нам увидеть всё в пределах воспринимаемого им спектра, а не только те волны, для которых атмосфера оказывается частично прозрачной.


Концепция спутника WFIRST, запуск которого запланирован на 2024 год. Он должен будет снабдить нас самыми точными измерениями тёмной энергии и другими невероятными космическими открытиями

WFIRST – главная миссия НАСА на 2020-е года, и в данный момент её запуск назначен на 2024-й. Телескоп не будет крупным, инфракрасным, не будет покрывать что-то кроме того, что не может сделать Хаббл. Он просто будет делать это лучше и быстрее. Насколько лучше? Хаббл, изучая определённый участок неба, собирает свет со всего поля зрения, и способен фотографировать туманности, планетные системы, галактики, скопления галактик, просто собирая много изображений и сшивая их вместе. WFIRST будет делать то же самое, но с полем зрения в 100 раз больше. Иначе говоря, всё, что может делать Хаббл, WFIRST сможет сделать в 100 раз быстрее. Если мы возьмём те же наблюдения, что были сделаны во время эксперимента Hubble eXtreme Deep Field, когда Хаббл наблюдал за одним и тем же участком неба 23 дня и обнаружил там 5500 галактик, то WFIRST нашёл бы за это время больше полумиллиона.


Изображение с эксперимента Hubble eXtreme Deep Field, глубочайшего из наших наблюдений Вселенной на сегодня

Но нас больше всего интересуют не те, известные нам вещи, которые мы откроем при помощи двух этих прекрасных обсерваторий, а те, о которых мы пока ничего не знаем! Главное, что нужно для ожидания этих открытий – хорошее воображение, представление о том, что мы можем ещё найти, и понимание технической чувствительности этих телескопов. Для того, чтобы Вселенная произвела революцию в нашем мышлении, вовсе необязательно, чтобы открытые нами сведения радикально отличались от известных нам. И вот семь кандидатов на то, что могут открыть Джеймс Уэбб и WFIRST!


Сравнение размеров недавно открытых планет, вращающихся вокруг тусклой красной звезды TRAPPIST-1 с галилеевыми спутниками Юпитера и внутренней Солнечной системы. Все планеты, найденные у TRAPPIST-1, размерами схожи с Землёй, но звезда по размеру лишь приближается к Юпитеру.

1) Богатая кислородом атмосфера в потенциально обитаемом мире земного размера. Год назад поиск миров земного размера в обитаемых зонах солнцеподобных звёзд был на пике. Но открытие Проксимы b, и семи миров земного размера вокруг TRAPPIST-1, миры земного размера, вращающиеся вокруг небольших красных карликов, породили бурю острых разногласий. Если эти миры обитаемые, и если у них есть атмосфера, то сравнительно большой размер Земли по сравнению с размером их звёзд говорит о том, что во время транзита мы сможем измерить содержание их атмосферы! Поглощающий эффект молекул – диоксида углерода, метана и кислорода – может дать первые непрямые свидетельства наличия жизни. Джеймс Уэбб сможет увидеть это, и результаты могут потрясти мир!


Сценарий Большого разрыва разыграется, если мы обнаружим увеличение силы тёмной энергии во времени

2) Свидетельство непостоянности тёмной энергии и возможное наступление Большого разрыва. Одна из главных научных целей WFIRST – наблюдать за звёздами на очень больших расстояниях в поисках сверхновых типа Ia. Эти же события позволили нам открыть тёмную энергию, но вместо десятков или сотен он будет собирать информацию о тысячах событий, расположенных на огромных расстояниях. И он позволит нам измерить не только скорость расширения Вселенной но и изменение этой скорости во времени, с точностью, в десять раз превышающей сегодняшнюю. Если тёмная энергия отличается от космологической константы хотя бы на 1%, мы её найдём. А если она всего на 1% больше по модулю, чем отрицательное давление космологической константы, наша Вселенная закончится Большим разрывом. Это точно станет сюрпризом, но Вселенная у нас одна, и нам пристало слушать, что она готова сообщить о себе.


Самая удалённая из известных на сегодня галактик, подтверждённая Хабблом посредством спектроскопии, видна нам такой, какой она была, когда Вселенной было всего 407 млн лет

3) Звёзды и галактики с более ранних времён, чем предсказывают наши теории. Джеймс Уэбб своими инфракрасными глазами сможет заглянуть в прошлое, когда Вселенной было 200-275 млн лет – всего 2% от её текущего возраста. Это должно захватить большую часть первых галактик и поздний этап формирования первых звёзд, но мы можем найти и свидетельства того, что предыдущие поколения звёзд и галактик существовали ещё раньше. Если выйдет так, то это будет значить, что гравитационный рост со времени появления реликтового излучения (380 000 лет) до формирования первых звёзд проходил как-то не так. Это однозначно будет интересная проблема!


Ядро галактики NGC 4261, как и ядра огромного числа галактик, демонстрирует признаки наличия сверхмассивной чёрной дыры, как в инфракрасном, так и в рентгеновском диапазонах

4) Сверхмассивные чёрные дыры, появившиеся до первых галактик. До самых отдалённых моментов прошлого, которые нам удалось измерить, до тех времён, когда Вселенной было порядка миллиарда лет, галактики содержат в себе сверхмассивные чёрные дыры. Стандартная теория говорит о том, что эти чёрные дыры зародились из первых поколений звёзд, сливавшихся вместе и падавших в центр скоплений, а затем накопивших материю и превратившихся в сверхмассивные ЧД. Стандартная надежда состоит в том, чтобы найти подтверждения этой схеме, и находящиеся на ранних стадиях роста чёрные дыры, но неожиданностью будет, если мы найдём их уже полностью сформированными в этих очень ранних галактиках. Джеймс Уэбб и WFIRST смогут пролить свет на эти объекты, и обнаружение их в любом виде станет серьёзным научным прорывом!


Обнаруженные Кеплером планеты, отсортированные по размеру, по состоянию на май 2016 года, когда выпустили крупнейшую выборку новых экзопланет. Чаще всего встречаются миры чуть больше Земли и чуть меньше Нептуна, но миры малой массы просто могут быть не видны для Кеплера

5) Экзопланеты малой массы, всего 10% от земной, могут быть самыми распространёнными. Это специальность WFIRST: поиск микролинзирования на больших участков неба. Когда звезда проходит перед другой звездой, с нашей точки зрения, искривление пространства порождает увеличивающий эффект, с предсказуемым увеличением и последующим уменьшением яркости. Наличие планет в системе, находившейся на переднем плане, изменит световой сигнал и позволит нам распознать их с улучшенной точностью, распознающей массы меньшие, чем это может сделать любой другой из методов. При помощи WFIRST мы прозондируем все планеты вплоть до массы, составляющей 10% от земной – планеты размером с Марс. Чаще ли встречаются марсоподобные миры, чем землеподобные? WFIRST может помочь нам это выяснить!


Иллюстрация CR7, первой из обнаруженных галактик, содержащих звёзды населения III, первые из звёзд во Вселенной. Джеймс Уэбб может сделать реальную фотографию этой и других таких галактик

6) Первые звёзды могут оказаться более массивными, чем те, что существуют сейчас. Изучая первые звёзды, мы уже знаем, что они сильно отличаются от нынешних: они почти на 100% состояли из чистых водорода и гелия, без иных элементов. Но иные элементы играют важную роль в охлаждении, излучении и предотвращении появления слишком крупных звёзд на ранних этапах. Крупнейшая из известных сегодня звёзд находится в туманности Тарантул, и по массе превышает Солнце в 260 раз. Но в ранней Вселенной могли встречаться звёзды в 300, 500 и даже 1000 раз тяжелее Солнца! Джеймс Уэбб должен дать нам возможность это выяснить, и может рассказать нам что-нибудь удивительное по поводу самых ранних звёзд Вселенной.


Истечение газа в карликовых галактиках происходит во время активного формирования звёзд, из-за чего обычная материя улетает, а тёмная – остаётся

7) Тёмная материя может не так сильно доминировать в первых галактиках, как в сегодняшних. Мы, вероятно, наконец, сможем измерить галактики в отдалённых частях Вселенной и определить, меняется ли соотношение обычной материи и тёмной. При интенсивном формировании новых звёзд из галактики утекает обычная материя, если только галактика не очень крупная – а значит, в ранних, тусклых галактиках, должно быть больше нормальной материи по отношению к тёмной, чем в тусклых галактиках, находящихся недалеко от нас. Такое наблюдение подтвердит текущее представление о тёмной материи и ударит по теориям модифицированной гравитации; противоположное наблюдение может опровергнуть теорию тёмной материи. Джеймс Уэбб сможет с этим справиться, но по-настоящему всё прояснит накопленная статистика наблюдений WFIRST.


Представление художника о том, как может выглядеть Вселенная при формировании первых звёзд

Всё это – лишь возможности, и таких возможностей слишком много, чтобы их можно было тут перечислить. Весь смысл наблюдений, накопления данных и проведения научных изысканий состоит в том, что мы не знаем, как устроена Вселенная, пока не зададим правильные вопросы, которые помогут нам это выяснить. Джеймс Уэбб сконцентрируется на четырёх главных вопросах: первый свет и реионизация, сбор и рост галактик, рождение звёзд и формирование планет, а также поиск планет и происхождения жизни. WFIRST сконцентрируется на тёмной энергии, сверхновых, барионных акустических осцилляциях, экзопланетах – как с микролинзированием, так и с прямым наблюдением, и на наблюдениях за крупными участками неба в близком к инфракрасному диапазоне, которые сильно превзойдут возможности таких предыдущих обсерваторий, как 2MASS и WISE.


Инфракрасная карта всего неба, полученная космическим аппаратом WISE. WFIRST серьёзно превзойдёт пространственное разрешение и глубину резкости, доступные для WISE, что позволит нам заглянуть глубже и дальше

Мы потрясающе хорошо понимаем сегодняшнюю Вселенную, но вопросы, ответы на которые получат James Webb и WFIRST, задаются только сегодня, на основании уже изученного нами. Может оказаться, что на всех этих фронтах не окажется никаких сюрпризов, но более вероятно то, что мы не только обнаружим сюрпризы, но и то, что наши догадки об их природе окажутся совершенно неверными. Часть научного интереса состоит в том, что ты никогда не знаешь, когда или как Вселенная удивит тебя, открыв нечто новое. А когда она это делает, наступает величайшая возможность всего передового человечества: она позволяет нам узнать что-то совершенно новое, и меняет то, как мы понимаем нашу физическую реальность.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник: geektimes.ru