Космический телескоп «Джеймс Уэбб» работает всего 18 месяцев из предполагаемых 10 лет, но учёные уже ставят вопрос об эффективном использовании оставшегося времени работы телескопа

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обладает большой мощностью и возможностями для научных открытий. Одна из его основных целей — исследование атмосфер экзопланет с целью определения их химического состава — задача, которую может выполнить только такой мощный инструмент. Однако даже JWST требуется время, чтобы эффективно использовать возможности, особенно когда речь идет об одной из ключевых задач — изучении каменистых экзопланет, вращающихся вокруг красных карликов. Красные карлики являются самым распространённым типом звёзд во Млечном Пути. Наблюдения показывают, что в обитаемых зонах этих звёзд находится множество каменистых планет. Но вопросы о том, насколько подходят для жизни эти планеты и о возможности наличия атмосферы в зонах обитаемости красных карликов до сих пор остаются без ответа. Астрономы стремятся изучить атмосферы таких планет и искать биосигнатуры и другую информацию о составе их атмосферы.

Иллюстрация экзопланеты K2-18 b на основе научных данных. Космический телескоп JWST исследовал эту экзопланету и обнаружил присутствие углеродсодержащих молекул. Обилие метана и углекислого газа, а также небольшое содержание аммиака подтверждают гипотезу о том, что под богатой водородом атмосферой K2-18 b может существовать водный океан. Но чтобы с большей уверенностью делать выводы о его атмосфере, необходимы более обширные наблюдения. Источник: NASA / ESA / CSA / Joseph Olmsted (STScI)

По результатам нового исследования, JWST потребуется сотни часов наблюдений, чтобы обнаружить и помочь изучить атмосферы экзопланет. Единственным автором этого исследования является Рене Дойон из физического факультета Монреальского университета в Канаде. Дойон отмечает, что хотя изучение атмосфер экзопланет является одной из главных задач JWST, до сих пор проделана работа только с несколькими планетами: Trappist-1d, e, f, g, LHS1140b и мини-нептуном K2-18b.

Результаты исследования показывают, что JWST действительно способен изучать атмосферы экзопланет, но также указывают на то, что активность звёзд является препятствием для успешных результатов и качественных, убедительных данных. Телескоп анализирует атмосферы экзопланет, наблюдая, как планета проходит мимо своей звезды. Он анализирует свет звезды, проходящий через атмосферу экзопланеты, в поисках признаков различных молекул.

Один из важнейших вопросов в изучении экзопланет связан с каменистыми планетами, находящимися в обитаемых зонах красных карликов. Обладают ли они атмосферой? К счастью, маломассивные красные карлики и их планеты являются лучшими объектами для спектрометрического исследования.

Однако каждая возможность сопровождается своими трудностями, и когда речь идёт о маломассивных красных карликах, препятствия становятся особенно значимыми. Эти звёзды известны своими сильными вспышками, которые могут сделать близлежащие планеты неподходящими для жизни. Вспышки источают мощное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, которое может разрушить атмосферу планеты. В течение миллиардов лет такие вспышки могут настолько истончить атмосферу, что шансов на обитаемость практически не останется.

Вспышки красных карликов создают ещё одну проблему: эта звёздная активность может затруднить спектроскопическое изучение атмосфер экзопланет.

JWST — лучший инструмент для изучения атмосфер экзопланет. Однако его срок службы ограничен. Он предназначен для работы до 10 лет, и уже сейчас он выполняет свою миссию примерно 18 месяцев. Когда речь идёт об изучении экзопланет, что является лишь одной из его задач, как лучше всего использовать время?

Художественное изображение мощной вспышки, исходящей от красного карлика — Проксимы Центавра. Такие вспышки могут уничтожить атмосферы близлежащих планет. Они также затрудняют спектроскопию атмосфер экзопланет. Источник: NRAO / S. Dagnello.

Очень важно использовать время JWST не только для изучения атмосферы, но и для подготовки к будущим флагманским миссиям и разведки будущих целей для наземных обсерваторий.

Дойон говорит, что следует отдать приоритет тому, что он называет Golden-J — самых перспективных экзопланет. Эта группа планет достаточно прохладна, чтобы избежать парникового эффекта. И также необходимо иметь точные измерения радиуса и массы, что приводит к точному пониманию их плотности.

«Эти критерии ограничивают выбор лишь несколькими каменистыми планетами: Trappist-1d, e, f, g и LHS1140b. И в качестве исключения мини-нептун K2-18b, несмотря на неопределённость его массы», — пишет Дойон.

JWST, как и «Хаббл», уже исследовал эти экзопланеты. Но результаты содержат неопределённость. Дойон описывает первые взгляды JWST на экзопланеты образца Golden-J как разведывательные и считает, что для устранения большей части этой неопределённости следует более тщательно изучить эти планеты в оставшееся время.

Экзопланете LHS-1140 b уделено большое внимание в работах Дойона. «LHS1140b, пожалуй, лучшая планета с умеренным климатом, о состоянии жидкой поверхности которой можно косвенно судить, опираясь на обнаружение CO2 в её атмосфере», — пишет автор. Но JWST может наблюдать только 4 транзита планеты и 4 её затмения за один год. JWST может потребоваться 12 «взглядов» в течение трёх лет, чтобы собрать достаточно убедительные доказательства присутствия жидкой воды на поверхности.

Дойон называет эту попытку более пристального наблюдения за LHS-1140 b и другими экзопланетами в подборке Golden-J «глубокой разведкой обитаемости».

Возможно, самый важный вопрос, на который JWST должен и может ответить — это заголовок моей статьи: есть ли у каменистых планет умеренного пояса вокруг М-карликов атмосфера?, — пишет Дойон.

Для этого потребуется время. Дойон подсчитал, сколько времени потребуется для наблюдений JWST: «Комплексная разведка потребует минимум 700 часов, включая примерно 225 часов, посвящённых фотометрии затмений». Однако этих часов может оказаться недостаточно: «Введение более высокого порога обнаружения для программы разведки – как было опубликовано для наблюдений Trappist-1b и Trappist-c с помощью инструмента MIRI – значительно увеличит общее время наблюдений, потенциально варьирующееся от 1300 до 2000 часов».

Это может занять ещё больше времени, особенно если появятся многообещающие результаты, требующие дополнительных наблюдений. Может показаться, что это занимает много времени для небольшого количества экзопланет. Однако JWST был создан для поиска ответов, и если это требует столько времени, значит оно будет использовано с пользой.

Космический телескоп Джеймс Уэбб сделал первый в истории снимок протопланетного диска

За последние несколько десятилетий астрономы обнаружили тысячи экзопланет, разбросанных по всему космосу. Все эти миры, от крупнейших газовых гигантов до крошечных каменистых планет, возникли из облака пыли и газа, вращающегося вокруг молодой звезды. Процесс формирования таких облаков на данный момент является предметом пристального астрономического изучения. Здесь на помощь астрономам пришел космический телескоп имени Джеймса Уэбба, который обладает уникальными способностями для их изучения. Исследователи из Стюардской обсерватории Университета Аризоны с помощью нового телескопа получили самое детальное представление о звездных яслях, в которых рождаются новые звезды и планеты. Благодаря предыдущим наблюдениям за молодыми звездными системами были выявлены основные закономерности: газовые облака сжимаются в плотные сгустки, которые со временем превращаются в звезды, способные к термоядерному синтезу. Оставшийся в системе материал становится вращающимся протопланетным диском, в котором крошечные элементы набирают массу, превращаясь в гальку, планетообразования и, в конечном итоге, в планеты. Особенности этого процесса до сих пор остаются загадкой, поскольку он происходит в коконе из пыли и газа, блокирующем четкое наблюдение для большинства инструментов.

"Уэбб" идеально подходит для этой работы не только благодаря зеркалу, превосходящему зеркало Хаббла в 6,5 раз, но и потому, что его инструменты работают в инфракрасном диапазоне. На этих длинах волн можно заглянуть сквозь газовую оболочку, скрывающую происходящее в молодых солнечных системах. Чтобы проверить возможности "Уэбба" в изучении протопланетных дисков, команда астрономов направила его на несколько хорошо изученных протозвезд, включая HL Tauri (также называемую HL Tau). Предыдущие наблюдения с помощью радиообсерватории ALMA и других инструментов выявили разрывы в диске, которые могут указывать на формирующиеся протопланеты, выгребающие всю пыль на своем пути.

Планетарная система HL Tau с контурами разрывов, обнаруженными обсерваторией ALMA, и потоками материи, устремляющимися к звезде (оранжевый цвет), запечатленными "Уэббом".

Сообщается, что команда ученых Университета Аризоны была впечатлена уровнем детализации изображений "Уэбба". Однако обсерватории все равно не удалось разглядеть предполагаемые экзопланеты. По большому счету, HL Tau находится не так уж и далеко от нас, протозвезда находится в звездообразующем регионе Тельца, примерно в 457 световых годах от Земли.

В одном из недавно опубликованных исследований проекта отмечается, что основной инструмент обсерватории NIRCam, вероятно, не видит достаточно глубоко в инфракрасном диапазоне, чтобы уловить слабое свечение экзопланет на фоне пылевого облака. В то же время инструмент "Уэбба" MIRI, работающий на более длинных волнах, не обладает нужным угловым разрешением. «Ни один современный инструмент не обладает разрешением и диапазоном длин волн, необходимыми для такого наблюдения», — говорится в исследовании.

Хотя "Уэбб" и не может разглядеть формирующиеся протопланеты, он способен разглядеть далекие миры, где планетарные системы уже сформировались и стабилизировались. Команда была удивлена, увидев некоторые детали протозвездной оболочки — сложного потока пыли и газа, окружающего саму звезду. Материя стремится внутрь, к звезде, увеличивая ее массу и обеспечивая топливом для горения. «Мы наблюдаем крайне сложную и динамичную систему с "потоками", питающими материал из внешней оболочки во внутренние области диска, где, как мы ожидаем, формируются планеты», — сказал руководитель исследования Джаррон Лейзенринг.

Эти данные помогут ученым расширить представление о том, как возникли планеты, но "Уэбб" к сожалению не раскроет все тайны этого процесса. Возможно, потребуется еще одно поколение космических телескопов, прежде чем мы сможем изучить самые ранние фазы формирования планет.

Europa Clipper сможет найти признаки внеземной жизни даже в частице льда

В октябре 2024 года NASA планирует отправить к спутнику Юпитера Европе космический аппарат, чтобы узнать, обладает ли юпитерианская луна условиями, пригодными для жизни. Однако зонд будет нести научный инструмент, который, как показали авторы нового исследования, способен обнаружить известную нам форму жизни, если она, конечно, там есть. Прибор может находить бактериальную клетку или ее фрагменты в крупицах льда, которые выбиваются в космос при ударах микрометеоритов. Иными словами, этот научный прибор — надежда в поиске внеземной жизни на ледяных спутниках. Европа — четвертый по размеру спутник Юпитера. Считается, что поверхность этой луны полностью безжизненна: атмосферное давление там составляет всего одну триллионную часть земного, а средняя температура — минус 160 градусов Цельсия. Однако за десятки лет наблюдений астрономы установили, что эта луна покрыта ледяной корой льда толщиной не менее 20 километров, под которой скрывается соленый жидкий океан. Его глубину исследователи оценили в 100 километров, а общий объем воды — вдвое больше, чем во всех океанах Земли. Только неизвестно, присутствуют ли в нем химические вещества, необходимые для развития живых организмов. Чтобы выяснить, обладает ли Европа условиями, пригодными для жизни, NASA собирается запустить к ней космическую станцию Europa Clipper, которая будет изучать спутник с расстояния. Аппарат отправят на вытянутую, «петляющую» орбиту вокруг Юпитера, благодаря чему зонд сможет часто сближаться с юпитерианской луной — совершит 44-49 близких облетов. Запуск Europa Clipper намечен на октябрь 2024 года, а прибытие к Европе — на апрель 2030-го. Планируется, что зонд будет исследовать спутник 109 дней.

На автоматическую станцию инженеры уже установили все научные инструменты. Всего их девять. Они будут проводить картографирование поверхности Европы, изучать ледяную оболочку, подповерхностный океан, водяной пар (гейзеры), прорывающийся сквозь лед, а также разреженную атмосферу, состоящую преимущественно из пыли и продуктов радиолиза частичек льда, которые выбиваются в космос при ударах микрометеоритов.

Все приборы разрабатывали лишь с одной целью — помочь ученым понять, что за условия существуют на Европе и подходят ли они для развития жизни. То есть «научная начинка» Europa Clipper изначально не предполагала сам поиск внеземных живых организмов.

Но группа инженеров из США и Германии под руководством Фрэнка Постберга (Frank Postberg) из Свободного университета Берлина сделала неожиданное открытие. Ученые обнаружили, что один из инструментов зонда, над которым они работали, — анализатор поверхностной пыли Surface Dust Analyzer (SUDA), — может находить бактериальные клетки и их фрагменты (ДНК, РНК, цитоплазматическая мембрана), потенциально указывающие на присутствие жизни. Прибор способен искать такие следы в отдельных частицах льда, выброшенных с поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Прибор SUDA — масс-спектрометр, который будет изучать состав малых твердых частиц, выбрасываемых из недр Европы как после удара микрометеоритов, так и гейзерами. Постберг и его коллеги испытали инструмент в вакуумной камере, чтобы больше узнать о его возможностях.

С помощью экспериментальной установки исследователи посылали в вакууме тонкую струю жидкой воды с высокой кинетической энергией, где она ударялась о SUDA и распадалась на капли. Предварительно в воду ученые поместили образцы бактерии Sphingopyxis alaskensis, обитающей в водах Аляски. Эти бактерии могут выживать в холодной среде и при ограниченном количестве питательных веществ, что делает их наилучшим кандидатом на роль «внеземной жизни», которая может существовать на ледяных спутниках Сатурна или Юпитера.

Затем Постберг применил луч лазера, чтобы «разбить» капли еще на более мелкие фрагменты и таким образом сымитировал крупицы льда, которые после попадали на детектор SUDA. Исследователи обнаружили, что прибор может находить в этих крупицах фрагментированный клеточный материал, включая жирные кислоты, которыми богаты клеточные мембраны, а также аминокислоты.

«Мы показали, что SUDA может обнаружить клеточный материал всего в одной из сотен тысяч ледяных частиц, которые ударяются о ваш прибор в космосе со скоростью от четырех до шести километров в секунду. То есть мы сможем отличать клеточный материал от других органических молекул и солей», — объяснил Постберг.

В ближайшее время авторы исследования проведут аналогичный эксперимент, но уже с другими видами клеточных культур.

SpaceX запустила грузовой корабль к МКС

Ракета Falcon 9 успешно стартовала с пусковой площадки 40 на мысе Канаверал во Флориде. Она отправила к МКС грузовой корабль Cargo Dragon с миссией снабжения CRS-30. К станции он пристыкуется 23 марта в 14.30 (мск). Аппарат доставит на МКС 2721 кг научного оборудования для станции и материалов для экспериментов, а также припасов для экипажа. В течение месяца Cargo Dragon будет пристыкован к зенитному порту модуля Harmony, после чего вернется на Землю. Для первой ступени этой ракеты, благополучно севшей на посадочную площадку, данный запуск стал шестым. А для грузовой капсулы корабля он стал четвертым.

Китай запустил к Луне ретрансляционный спутник

Ракета Long March-8 успешно стартовала с космодрома Вэньчан. Она отправила к Луне спутник Queqiao-2, который предназначен для ретрансляции данных и связи с будущими миссиями на обратной стороне Луны и на Южном полюсе. Аппарат благополучно развернул солнечные панели и вышел на связь, он оказался на первоначальной орбите с перигеем 200 км и апогеем 420 000 км. Аппарат массой 1200 кг оснащен 4,2-метровой параболической антенной и является частью будущей лунной инфраструктуры Китая. Он выйдет на высокоэллиптическую окололунную орбиту с наклонением 55 градусов. Она позволит предстоящей миссии Chang’e-6 поддерживать через Queqiao-2 связь с Землей. Chang’e-6 будет запущена позднее в этом году на обратную сторону Луны для доставки оттуда грунта. После выполнения миссии Chang’e-6 аппарат Queqiao-2 сменит орбиту, чтобы лучше поддерживать связь с миссиями Chang’e-7 и Chang’e-8, которые будут запущены к Южному полюсу Луны. Срок службы Queqiao-2 может превысить восемь лет. Queqiao-2 представляет собой усовершенствованную модель Queqiao. Этот ретранслятор был запущен к Луне в 2018 году для поддержки миссии Chang’e-4, в рамках которой была совершена посадка на обратной стороне Луны. Queqiao еще работает на гало-орбите около точки Лагранжа L2 системы Земля – Луна примерно в 70 тысячах километров от нашего спутника.

Queqiao-2 имеет реконфигурируемое программное обеспечение. С аппаратами Chang’e он будет связываться в X- и UHF-диапазонах, а с Землей – в S- и Ka-диапазонах. Также он сможет предоставлять услуги ретрансляции данных для лунных миссий других стран. Кроме того, на борту Queqiao-2 находится датчик экстремального ультрафиолета, детектор частиц и оборудование для интерферометрии.

Вместе с Queqiao-2 на ракете Long March-8 были запущены два небольших экспериментальных спутника Tiandu-1 и Tiandu-2. Они будут летать вместе на окололунной орбите и проводить испытания технологий связи и навигации.