Будущая космическая обсерватория LIFE начала с поисков жизни на Земле

LIFE (Large Interferometer for Exoplanets) — это проект сети космических телескопов Европейского космического агентства ESA. В отличие от других космических обсерваторий, его основная задача — поиск признаков жизни (биосигнатур) в атмосферах ближайших экзопланет. Этим занимается и телескоп Джеймса Уэбба, но у него кроме поисков жизни множество других задач. Другое отличие концепта LIFE — это будет созвездие из пяти космических аппаратов, которые будут одновременно принимать сигнал от определённой звёздной системы, работая вместе как интерферометр, плечом которого будут расстояния между станциями.

LIFE должна работать по принципу обнуляющего интерферометра (nuller), в котором комбинируются сигналы от нескольких телескопов: это позволяет усилить полезный сигнал (например, от экзопланеты), в то же время убрав сильные источники света поблизости. В экзопланетологии такими источниками являются родительские звёзды. «Плечо» интерферометра LIFE будут составлять пять отдельных телескопов, которые составят созвездие космических станций на определённом расстоянии друг от друга. LIFE разрабатывается в швейцарском Федеральном институте технологий (ETH) в Цюрихе. Его диапазон зрения — средние инфракрасные волны, на которых можно обнаружить важные сигнатуры газов, в земных условиях указывающих на наличие жизни: озон, метан и оксид азота.

LIFE разместится в точке Лагранжа L₂ системы Земля — Солнце на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли в сторону, противоположную от Солнца. Напомним, что в настоящее время там работают четыре космических телескопа включая обсерваторию Джеймса Уэбба. С этой позиции он будет рассматривать экзопланеты по списку в надежде найти на них биосигнатуры.

LIFE пока находится на стадии концепта, но исследователи и организации, проект финансирующие заранее интересуются его производительностью. Поскольку телескопы ещё не построены, можно использовать в качестве полигона атмосферу Земли. То есть повторяется приём, который используют для проверки других телескопов для поисков биосигнатур (см. также ссылки внизу этой заметки): Землю рассматривают как экзопланету и проверяют возможности того или иного инструмента для работы с земной атмосферой в разных условиях. За неимением телескопа для обработки данных используется специальный программный симулятор LIFEsim на реальных данных по атмосфере Земли.

В условиях реальных наблюдений экзопланета будет представляться в лучшем случае однопиксельным объектом, и мы можем только считать спектр от такого точечного источника света. Легко понять, что если бы мы наблюдали таким образом за Землёй, то спектр её излучения менялся бы со временем в зависимости от того, с какого ракурса телескоп увидит планету. Более того, результаты зависели бы от длительности наблюдения (представим, что инопланетяне направят телескоп на нашу планету в момент, когда на соответствующей её стороне лето, или подождут немного и будут рассматривать её зимнее полушарие). Спектральные данные собираются и усредняются за определённые промежутки времени, поэтому нужно знать, насколько геометрия наблюдений и сезонные изменения влияют на данные, которые сможет доставить LIFE.

Данные по земной атмосфере доступны для самых разных времён и точек наблюдения. Исследователи взяли три характерных ракурса для Земли: виды двух полюсов и экваториальной области. Для каждого из ракурсов рассматривались данные атмосферы с января по июль, чтобы покрыть максимально возможные сезонные изменения.

Планетарные атмосферы могут быть весьма сложными, как наша, и астробиологи обращают внимание на несколько маркеров, которые могут указать на потенциал для развития жизни. Особый интерес вызывают такие соединения, как N₂O, CH₃Cl, и CH₃Br (оксид азота, хлорметан и бромметан) — они все могут получаться в биологических процессах (но не только). В частности, исследователи хотели выяснить, способны ли инструменты LIFE открыть на Земле такие важные соединения, как углекислый газ, воду, озон и метан с расстояния 30 световых лет. Эти вещества могут указывать на мягкие условия обитания с умеренными температурами, при которых на планете вполне может развиться жизнь. Особенно важными здесь становятся озон и метан — признанные биосигнатуры. Если LIFE откроет их на Земле с такого удаления, то он сможет их обнаружить и на других планетах.

Интерферометр LIFE, пока что в виде программного симулятора, смог «открыть» на Земле углекислый газ CO₂, воду, озон и метан. Интересно, что результаты наблюдений LIFE не зависели от того, под каким углом он рассматривал Землю. Это важно для исследования экзопланет, потому что, если планета не относится к редкой категории наблюдаемых напрямую, мы в общем случае не знаем, под каким ракурсом она видна с Земли.

Сезонные вариации состава атмосферы не так просто наблюдать. Но, кажется, они не ограничивают область применения методики. То есть телескопы следующего поколения могут оценить обитаемость планеты независимо от того, попали ли мы в момент наблюдения в зиму или лето на планете.

Найти удачные химические соединения недостаточно. Нужно уметь их найти за разумное время наблюдений. Поэтому авторы исходя из данных по «учебной» атмосфере Земли сделали оценки нужного времени наблюдения при помощи такого созвездия телескопов.

Есть ряд целей, которые наблюдать легче всего. Пример таких объектов — планеты в системе Проксимы Центавра, для их наблюдения должно быть достаточно нескольких суток. Вообще время наблюдений за планетами земного типа в системе на расстоянии до 5 парсек (около 15 св.лет) со звездой класса M оценивают в 10 дней — за это время можно определить, обладает ли такая планета умеренным «земным» климатом. Но для поиска «близнецов Земли» на таких расстояниях с уверенным определением биосигнатур может понадобиться уже 50—100 дней.

LIFE пока только «потенциальный проект». Но он не единственная в числе космических миссий, которые сосредоточатся исключительно на оценке обитаемости планет. В 2023 году NASA предложило аналогичный проект под названием HWO (Habitable World Observatory). Его цель — получить прямые изображения по крайней мере 25 потенциально обитаемых миров, и затем заняться поиском биосигнатур в атмосферах этих планет.