Книга: Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

«Кеплер» — космический телескоп

«Кеплер» — космический телескоп

Благодаря всем перечисленным особенностям планетные транзиты служат нам щелочкой, в которую мы можем подсмотреть отдаленные планетные системы. Однако для этого нужна исключительно высокая точность. Транзит планеты размером с Землю перед звездой величиной с Солнце вызывает уменьшение ее яркости на одну десятитысячную, или на 0,01 %. Чтобы быть уверенным, что вы наблюдаете именно транзит, а не случайную погрешность, ошибка измерений должна быть в пять раз меньше ожидаемой величины сигнала, или 0,002 %‹‹4››. Этого трудно добиться даже на больших наземных телескопах, большинство из которых позволяет измерить яркость звезд с точностью, не превышающей 1 %.

Для обнаружения транзита необходимы точные измерения, а значит, надо переносить телескоп в космос. Наблюдения, проводимые за пределами Земли, обладают несколькими важными преимуществами. Вы избавляетесь от влияния земной атмосферы с ее турбулентностью и рассеянным светом. Вы можете проводить наблюдения непрерывно, независимо от смены дня и ночи. И наконец, стабильные условия наблюдения в сочетании с малошумными цифровыми датчиками позволяют проводить фотометрические‹‹5›› измерения высочайшей точности.

В 1984 г. небольшая группа ученых, возглавляемая Уильямом Боруки из Исследовательского центра Эймса в Калифорнии, впервые свела эти идеи воедино. Они задумали построить космическую обсерваторию, которая позволила бы на протяжении 4 лет непрерывно наблюдать участок неба, содержащий 160 000 ярких звезд. Вероятность случайного попадания трех точек на одну линию указывает, что даже если у каждой звезды есть планета, то в лучшем случае мы сможем наблюдать транзит лишь у 10 % из них, т. е. у 16 000 звезд. Точность наблюдений будет достаточной, чтобы обнаружить транзит планеты размером с Землю по диску звезды, подобной Солнцу. Если эта далекая «Земля» совершает оборот вокруг своей родительской звезды за один год, тогда за 4 года работы миссия по обнаружению новых миров должна зафиксировать 4 транзита в этой системе, чтобы мы могли быть уверены в природе наблюдаемого явления.

Прошло больше 20 лет, прежде чем космический телескоп «Кеплер» был запущен в космос и смог приступить к поиску новых миров. НАСА бесконечное число раз отклоняло планы проведения миссии, но, к чести готовивших ее ученых, надо отметить, что все технические трудности и сомнения были преодолены с помощью лабораторных и полевых испытаний‹‹6››. «Кеплер» был выбран в качестве исследовательской миссии НАСА в декабре 2001 г. Сколько это стоило? $600 млн на все: создание телескопа, запуск и обработку данных на Земле. С учетом полученных на сегодняшний день научных результатов инвестиции оказались очень выгодными.

Космический телескоп «Кеплер» был запущен 6 марта 2009 г. Основная программа была рассчитана на 3,5 года с возможностью проведения наблюдений на протяжении 6 лет. Размеры «Кеплера» относительно невелики, диаметр его главного зеркала составляет 0,95 м. Главное достоинство телескопа — 95-мегапиксельный сверхчувствительный фотометр. Телескоп направлен на скопления звезд между созвездиями Лиры и Лебедя, и его поле зрения охватывает 105 квадратных градусов. Это очень обширный участок неба. Если учесть, что угловой размер Луны равен примерно половине градуса, то поле зрения «Кеплера» настолько велико, что по каждой его стороне разместилось бы по 21 Луне.

Зачем это понадобилось? В поле зрения телескопа попадает 160 000 звезд, яркость которых позволяет добиться необходимой фотометрической точности, при этом они не должны перекрывать друг друга или проецироваться на дальние галактики. Каждые шесть секунд «Кеплер» фотографирует это скопление звезд, а затем обрабатывает и записывает полученные данные. Первичная информация не сохраняется, поскольку в таком случае у «Кеплера» довольно быстро закончилось бы место на жестком диске. Более того, скорость, с которой поступает информация, значительно превышает скорость передачи данных на Землю. Вместо этого «Кеплер» замеряет яркость каждой из 160 000 исследуемых звезд и хранит только эту информацию. На основании массивов измерений яркости, сделанных для каждого снимка, затем рассчитываются средние значения за 3 минуты. «Кеплер» хранит эту информацию в сжатом виде на диске и только раз в месяц посылает «цифровую открытку» со значениями яркости для каждой звезды на Землю, где этих ежемесячных посланий с нетерпением ожидает команда ученых, анализирующая данные наблюдений.

«Кеплер» следовал этому распорядку на протяжении 4 лет, последовательно измеряя яркость всех 160 000 звезд каждые 6 секунд. Такое терпение и аккуратность сделали бы честь даже Кеплеру. К несчастью, 11 мая 2013 г. произошла поломка второго из четырех установленных на борту двигателей-маховиков. Эти двигатели применяются для высокоточной ориентации и стабилизации космического телескопа, обеспечивая его выравнивание вдоль осей. Поскольку пространство имеет три измерения (оси), необходимо по крайней мере три двигателя-маховика, чтобы поддерживать ориентацию телескопа на определенный участок неба. Более того, поскольку точность ориентации телескопа является критически важным компонентом, влияющим на общую погрешность измерения яркости звезд, отказ двух двигателей-маховиков означал для «Кеплера» полную потерю управляемости и работоспособности.

Основная часть миссии по обнаружению экзопланет завершилась, но слухи о кончине самого «Кеплера» сильно преувеличены — телескоп по-прежнему способен следить за различными участками неба, используя для стабилизации космического аппарата давление солнечного излучения. В будущем нас, несомненно, ждут новые миссии по обнаружению внесолнечных планет, но не будет преувеличением сказать, что миссия «Кеплера» позволила нам раздвинуть границы наших познаний так же, как и любая другая космическая миссия в настоящем, прошедшем и, возможно, будущем. Так что же мы выяснили? Как выглядят эти дивные новые миры?