Pagrindinė problema, norint ieškoti gyvybės už Saulės sistemos ribų – informacijos apie egzoplanetas trūkumas. Jos yra mažytės ir labai blausios, lyginant su savo žvaigždėmis, todėl išsiaiškinti, kas vyksta būtent planetose, labai sudėtinga. Bet per tris dešimtmečius nuo pirmųjų egzoplanetų atradimo žmonija padarė milžinišką pažangą.
Viena labiausiai visuomenės dėmesį traukiančių astrofizikos tyrimų krypčių yra nežemiškos gyvybės paieškos. Ir ne veltui – atradimas, jog Visatoje esame ne vieni, gerokai supurtytų žmonijos pasaulėvaizdį tiek iš filosofinės, tiek ir gamtamokslinės pusės. Galimybė tyrinėti visiškai kitokios prigimties gyvybę ne tik duotų atsakymų į daugybę klausimų apie tai, kas apskritai yra gyvybė, bet galimai padėtų ir kuriant naujus vaistus, biologinius preparatus ar prietaisus, kurie pagerintų mūsų gyvenimą Žemėje.
Pagrindinė problema, norint ieškoti gyvybės už Saulės sistemos ribų – informacijos apie egzoplanetas trūkumas. Jos yra mažytės ir labai blausios, lyginant su savo žvaigždėmis, todėl išsiaiškinti, kas vyksta būtent planetose, labai sudėtinga. Bet per tris dešimtmečius nuo pirmųjų egzoplanetų atradimo žmonija padarė milžinišką pažangą. Patvirtintų egzoplanetų žinoma jau daugiau nei penki tūkstančiai; reguliariai matuojamos jų atmosferų savybės, o James Webb kosminis teleskopas šiuos tyrimus praplės ir pajėgs stebėti net ir į Žemę panašių planetų atmosferas. Taip pat prasideda pirmieji bandymai sudaryti egzoplanetų žemėlapius. Taip, jūs perskaitėte teisingai – egzoplanetų žemėlapius (ar planetlapius, ar kaip juos pavadintume). Jų kūrimas reikalauja inovatyvių būdų analizuoti menkus duomenų kiekius, bet gali parodyti jei ne tiesiogiai gyvybę, tai bent jau kur jos labiausiai verta ieškoti.
Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito euro per mėnesį, paremti mane galite ir jūs https://contribee.com/konstanta42.
Pradėkime nuo trupučio paprastų paskaičiavimų, kurie padės suprasti uždavinio sudėtingumą. Įsivaizduokime, kad stebime Saulės sistemą iš dešimties parsekų atstumo. Tai yra apie septynis kartus daugiau, nei nutolusi artimiausia kaimynė Kentauro Proksima; iš viso 10 parsekų spindulio rutulyje aplink Saulę randame daugiau nei 350 žvaigždžių. Iš tokio nuotolio atstumas tarp Žemės ir Saulės niekada neviršytų dešimtadalio kampinės sekundės. Būtent tokią kampinę skyrą pasiekia „Hubble“ kosminis teleskopas, panašią turės ir James Webb teleskopas. Kampinė skyra daugiausiai priklauso nuo teleskopo pagrindinio veidrodžio skersmens bei stebėjimų bangos ilgio; „James Webb“ pagrindinis veidrodis yra beveik tris kartus didesnis, nei „Hubble“, bet „James Webb“ stebės tris kartus ilgesnių bangų ruože, todėl skyra gaunasi panaši. Kitaip tariant, tiek „Hubble“, tiek „James Webb“ teleskopai vos vos galėtų erdviškai atskirti į Žemę panašią planetą nuo panašios į Saulę žvaigždės, jei atstumas iki jų būtų 10 parsekų.
Antžeminiai teleskopai yra didesni, todėl iš principo gali pasiekti geresnę kampinę skyrą. Deja, jiems trukdo atmosfera, kuri nuolatos virpa ir banguoja ir taip iškraipo šviesos spindulių trajektoriją teleskopo link. Laimei, šiuos iškraipymus galima kompensuoti naudojant adaptyvios optikos technologiją – nuolatinį vieno iš teleskopo veidrodžių deformavimą, kad iškraipyti spinduliai būtų nukreipiami ten, kur reikia. Adaptyvioji optika pradėta taikyti praeito amžiaus paskutiniame dešimtmetyje, o šiuo metu leidžia pasiekti apie dešimt kartų geresnę kampinę skyrą, nei „Hubble“ ar „James Webb“. Tad šiems teleskopams atskirti Žemę nuo Saulės 10 parsekų atstumu turėtų būti tikrai įveikiama užduotis, jei ne kita problema – šviesinė tarša, kuri pasireiškia net ir tamsiausiose Žemės vietose, tiesiog dėl Mėnulio, dirbtinių palydovų ar tolimų miestų spinduliuotės, išsisklaidančios atmosferoje.
Taigi aišku, kad netgi erdviškai atskirti Žemę nuo Saulės yra labai sudėtingas uždavinys, vos įveikiamas geriausiems šių dienų teleskopams. O ką jau kalbėti apie planetos disko išskyrimą: Žemės skersmuo yra apie 10 tūkstančių kartų mažesnis, nei atstumas iki Saulės. Per artimiausią dešimtmetį technologijos gali patobulėti, tačiau ir tada vargu ar galime tikėtis išskirti planetos vaizdą geriau nei vienu pikseliu. Net ir tą vieną pikselį gauti pavyks toli gražu ne visada.
Kaip tada galime kalbėti apie žemėlapių sudarymą? Norint suprasti vieną įdomų būdą, verta vėl pagalvoti apie Žemę, stebimą iš toli. Jei žiūrime į ją iš vieno taško, kartais į mus bus atsisukęs Ramusis vandenynas, kitu metu – Europa ir Afrika, dar kitu – Azija. Net ir suvidurkinus visą konkrečios nuotraukos erdvinę informaciją – kitaip tariant, pavertus atvaizdą vienu pikseliu – vaizdai greičiausiai skirtųsi: Ramusis vandenynas būtų mėlynas, Europa ir Afrika turėtų geltonos spalvos dėl Sacharos ir kitų dykumų bei žalios dėl miškų, Azijos pikselį spalvintų tiek miškai ir dykumos, tiek kalnai ir Indijos vandenynas. Tad nors negalėtume pasakyti, ar Indijos vandenynas yra į šiaurę, ar į pietus nuo Azijos, galbūt galėtume atskirti, kokią dalį konkrečios planetos pusės dengia vanduo, o kokią – dykumos arba žaluma. Bėgant metams, keistųsi planetos padėtis Saulės atžvilgiu. Skirtingas planetos puses dalį metų matytume dieną, dalį – naktį, o tai irgi papildytų turimą informaciją. Ir netgi leistų atskirti šiaurę nuo pietų, mat vasarą ir žiemą žvaigždės šviesa ant planetos krenta, taigi ir atsispindi, nevienodai.
Trys Žemės nuotraukos, darytos DSCOVR palydovu. Kairėje – Afrika, centre – Centrinė Amerika, dešinėje – Ramusis vandenynas. Šaltinis: NASA, DSCOVR; montažas mano
Taigi, šios idėjos esmę galima apibūdinti taip: nors stebėdami egzoplanetą neturime erdvinių duomenų apie jos diską, galime surinkti laikinius bei spektrinius duomenis, kurie duoda daug informacijos apie planetos savybes. Laikinė informacija nurodo, kaip planeta kinta sukdamasi aplink ašį ir aplink žvaigždę, spektrinė leidžia spręsti apie dominuojančias paviršiaus savybes kiekvienu laiko momentu. Žinoma, duomenų interpretacija ne visada yra vienareikšmiška, ją labai apsunkina tokie dalykai, kaip debesys. Visgi, net ir netobula sistema leidžia šį tą suprasti apie planetų paviršius.
Pirmi bandymai panašiu metodu nagrinėti planetas jau daromi; pradžioje tai buvo bandymai nustatyti planetos albedą (atspindimą žvaigždės šviesos dalį), vėliau pavirto ir dvimačiais modeliais, paremtais tuo pačiu albedu, tik jau kintančiu laikui bėgant. Kaip dažnai pasitaiko egzoplanetų tyrimuose, pirmieji rezultatai gaunami labai didelėms ir labai karštoms planetoms – karštiesiems jupiteriams. Priežastis labai paprasta: kuo planeta didesnė, tuo bet koks jos signalas stipresnis; taip pat ir kuo planeta karštesnė, tuo lengviau užfiksuoti jos signalą.
Planetos WASP-43b žemėlapis, sudarytas iš atspindžio matavimų. Planeta yra dujinė milžinė, taigi „žemėlapis“ iš tiesų rodo debesų ir atmosferos karštį. Šaltinis: NASA, ESA, Z. Levay (STScI)
O kaip su uolinėmis planetomis? Pirmi teoriniai skaičiavimai, kaip iš atspindėtos šviesos būtų galima sudaryti dvimatį planetos žemėlapį, daryti prieš daugiau nei dešimtmetį. Tada mokslininkai nustatė, kad pagrindinius žemynų ir vandenynų kontūrus atkurti turėtų būti įmanoma. Tiesa, jie rėmėsi įvairiomis prielaidomis, tiek apie aukščiau minėtų debesų nebuvimą, tiek apie didelio palydovo nebuvimą ir panašiai. Prieš trejus metus analogišką tyrimą mokslininkai atliko nagrinėdami Žemės stebėjimų palydovo DSCOVR duomenis. Kiekvieną ypatingai detalią nuotrauką pavertę vienu pikseliu, jie ištyrė Žemės spektro pokyčius laikui bėgant ir taip pat atkūrė dvimatį planetos žemėlapį. Ir jiems nesutrukdė netgi nuolat kintantis debesų sluoksnis – pritaikyti statistiniai metodai leido atskirti jų efektą nuo lėčiau kintančio vandenynų ir žemynų vaizdo. Užpernai pasiūlytas metodas, kaip būtų galima atskirti medžių (arba dangoraižių) egzistavimą planetoje, remiantis šešėliais, kuriuos jie meta net ir arti vietinio vidurdienio – tai labai skiriasi nuo šešėlių, kuriuos mestų plikos uolienos arba debesys.
Žemės atvaizdas, atkurtas iš 10 tūkstančių vieno pikselio nuotraukų. Juoda linija žymi medianą tarp žemynų ir vandenynų. Nors vaizdas toli gražu netobulas, įmanoma atskirti Amerikas, Europą+Afriką, Aziją, Australiją+Antarktidą. Šaltinis: Fan et el. (2019), „The Astrophysical Journal Letters“
Aukščiau aprašyti rezultatai rėmėsi tiesiog planetos šviesos kreivėmis – atspindėtos šviesos kitimu laikui bėgant. Kitaip tariant, juose nebuvo vertinama, kad nuo debesies, vandens ar miško atsispindėjusios šviesos spektras skiriasi. Pridėjus šį efektą, gaunami dar detalesni rezultatai. Štai pernai sukurtas algoritmas vandenynų paieškai, remiantis jų atspindžio spektro skirtumu nuo uolienų atspindžių. Dar 1993 metas Carlas Saganas su kolegomis pastebėjo, kad žiūrint į Žemę iš kosmoso galima atskirti ryškų spektro pokytį tose vietose, kur daug augmenijos. Pavadintas „raudonuoju kraštu“, jis atsiranda dėl to, kad chlorofilas sugeria regimuosius spindulius, bet yra pralaidus infraraudoniesiems. Pastaraisiais dešimtmečiais mokslininkai svarstė, kad toks spektrinis žymuo galėtų būti būdingas ir gyvybę turinčioms egzoplanetoms, nors konkretus bangos ilgis gali skirtis priklausomai nuo žvaigždės savybių. Suintegravus signalą per visą matomą planetos pusę, jis gali būti gana silpnas – Žemės atveju siekti vos kelis procentus. Bet senesnės ir karštesnės egzoplanetos turėtų pasižymėti stipresniu raudonojo krašto signalu, tad jį irgi būtų galima pritaikyti augmenijos paieškoms.
Jei galėtume gauti nuotrauką su keletu pikselių, žymiai pagerėtų ir atkuriamo žemėlapio kokybė. Vos prieš mėnesį pasirodė straipsnis, kuriame bandoma atkurti Žemės žemėlapį, naudojantis keleto pikselių vaizdais, įtraukiant spektrinę ir laikinę informaciją. Tyrėjams pavyko išskirti pagrindinius žemynų kontūrus, taip pat atskirti Sacharos dykumą nuo augmenijos dengiamų planetos sausumos regionų.
Žemės vaizdai, atkurti iš keleto pikselių nuotraukos. Kairėje – bendras vaizdas, dešinėje – atskirai augmenijos, plikos žemės ir vandenyno komponentai. Šaltinis: Kuwata et al. (2022), „The Astrophysical Journal“
Kaip gi gauti daugiau pikselių? Prisiminę skaičiavimus straipsnio pradžioje, galime įvertinti, ko reikėtų, norint padaryti, pavyzdžiui, 10×10 pikselių Žemės nuotrauką iš 100 parsekų atstumo. Kiekvienas pikselis turėtų apimti maždaug 1200 kilometrų zoną, 100 parsekų atstumu tai atitinka maždaug 0,1 kampinės mikrosekundės. Reikalinga kampinė skyra yra milijoną kartų didesnė, nei pasiekia James Webb teleskopas. Kitaip tariant, teleskopo veidrodis turėtų būti ne 6,5 metro, o 6500 kilometrų skersmens – maždaug pusės Žemės dydžio. Akivaizdu, kad pastatyti tokį teleskopą kosmose toli gražu ne žmonijos jėgoms. Bet išeitis galėtų būti interferometrai. Interferometrija leidžia apjungti keletą teleskopų į vieną tinklą ir pasiekti kampinę skyrą, tarsi turėtume vieną teleskopą, dydžiu prilygstantį atstumui tarp tikrųjų teleskopų. Šiuo principu remdamiesi Įvykių horizonto teleskopo komanda galėjo nufotografuoti juodąsias skyles. Apjungę per visą Žemę išdėstytus teleskopus, jie pasiekė 60 kampinių mikrosekundžių skyrą radijo bangų ruože. Stebint trumpesnėmis bangomis, raiška galėtų būti geresnė, tačiau tada sunkiau išmatuoti bangos fazę – būtiną parametrą, norint apjungti skirtingų teleskopų duomenis į vientisą vaizdą.
Kosminio interferometro LIFE konfigūracija (dailininko vizualizacija). Šaltinis: LIFE komanda
Šiuo metu planuojamas egzoplanetų tyrimams skirtas kosminis interferometras – nedidelių kosminių teleskopų tinklas – LIFE (Large Interferometer For Exoplanets). Jo tikslas nebus žemėlapių gamyba, o tik atmosferų tyrimai, atskiriant žvaigždės ir planetos vaizdus. Bet iš principo, jei teleskopai orbitoje gali skrieti kelių šimtų metrų atstumu vienas nuo kito, jie gali nutolti ir kelis tūkstančius kilometrų. Planuojama kosminė gravitacinių bangų observatorija LISA susidės iš trijų detektorių, kurie skries milijono kilometrų atstumu vienas nuo kito. Taigi koordinuoti stebėjimus kelių tūkstančių kilometrų atstumu – įveikiama užduotis. Galbūt per 10-20 metų sulauksime ir tokio prietaiso, o tada mūsų akims atsivers tikri egzoplanetų žemėlapiai.
