Космический телескоп "Кеплер" стал одним из самых результативных проектов по поиску экзопланет. К несчастью, после отказа системы ориентации он не может работать в нормальном режиме. Астроном Артем Тунцов, сотрудник Астрономического института имени Штернберга МГУ и австралийского института Manly Astrophysics рассказывает о возможных вариантах будущей судьбы телескопа.
Но сейчас все еще лучше — телескоп не только полностью построен, он уже запущен и великолепно себя зарекомендовал. И вот уже третий месяц ждет предложений, как его использовать.
Речь, конечно, о "Кеплере". За четыре года на орбите аппарат уже вошел в историю, качественно изменив наши представления о других мирах. Раньше мы могли только надеяться, верить и экстраполировать, а теперь — знаем, что у большинства звезд в Галактике есть планетные системы, и многие из них похожи на нашу. Их настолько много, что если б на каждой подходящей для земной жизни планете жила бы похожая на нас цивилизация, то получить ответ на наше послание в космос можно было бы рассчитывать в пределах одной человеческой жизни.
Мы, конечно, не знаем, есть ли на каждой подходящей планете жизнь, и не очень понимаем, что для этого нужно. Но это уже проблемы геологов и биологов, а астрономы свое дело сделали. Благодаря "Кеплеру" мы знаем, что похожие на Землю планеты, на которых может плескаться океан, есть, их много. А это вопрос даже не научного, а более общего, культурного порядка.
Новые идеи
Но просто так списывать великолепный инструмент, у которого все, кроме этих двух несчастных гиродинов, работает, как часы, жалко. И в начале августа, еще до того как НАСА оставило попытки "оживить" отказавшие модули, команда "Кеплера" попросила идей — чем бы еще хорошим занять космический телескоп. Ответов набралось больше сорока, включая c десяток скучных, пару совершенно непродуманных и даже одну жалкую попытку получить под этот шум работу и признание.
Вообще говоря, 40 предложений за месяц — это не так уж много. На "Хаббл", к примеру, в сезон подается больше тысячи заявок. Но "Кеплер" — телескоп специфический. К примеру, разрешение его приемника в десятки раз уступает разрешению его же оптики — ситуация прямо противоположная той, что встречается с дешевыми мыльницами, качество фотографий которых из-за низкого качества оптики зачастую и близко не стоит к формальному количеству мегапикселей их матриц. "Кеплеру" такой несуразный масштаб изображений для того, чтобы на приемнике (который и так не маленький, 100 мегапикселей) поместилось как можно больше подходящих звезд. При этом в реальности используются лишь несколько процентов площади приемника, и даже их земные астрономы в рутинном режиме не видят. Вместо этого на борту аппарата из изображений вычленяется блеск интересующих звезд, и только эти измерения уже поступают на Землю.
К счастью, алгоритм обработки изображений можно настраивать, чем и предлагают воспользоваться авторы некоторых предложений. Но нынешняя программа появилась тоже не от хорошей жизни — для постоянной передачи полных картинок на Землю не хватает ни ширины канала связи (аппарат сейчас на расстоянии Марса), ни памяти на борту. Поэтому какова бы ни была программа новая, мы сможем либо смотреть на небольшие кусочки поля зрения с хорошей частотой смены кадров, либо получать полные картинки, но очень редко (и с довольно плохим, хуже самого простенького любительского телескопа, разрешением мелких деталей).
Чтобы сегодня, большие, и по три — не получится. Кроме того, команда "Кеплера" явно не в восторге от возможности кардинального пересмотра его modus operandi, потому что нынешний алгоритм за четыре года себя проявил отлично, а сколько придется вылавливать ошибки в его замене — никому пока не ясно.
Больше планет
Наибольшее разнообразие в первой группе. Предложения здесь разнятся от ультраконсервативных — вовсе не менять программу наблюдений и довольствоваться решением того ограниченного круга задач, на которые теперь хватает точности, до откровенно "венчурной" астрофизики в виде предложения искать планеты с помощью гравитационного микролинзирования — проекта с невысокими, по признанию авторов, шансами на успех, но с большой отдачей в виде измерения самых интересных параметров планетной системы, если дело выгорит.
Среди консерваторов главный ученый нынешней миссии Уильям Боруцкий.
Вообще, у сторонников оставить "Кеплер" нацеленным в нынешнем направлении есть один убийственный аргумент — те данные, которые накоплены за 4 года, и которые будут становиться только ценнее с каждым новым днем наблюдений той же площадки. Соперники способны парировать лишь грубоватым "и что нам от этих планет, уже открытых или ждущих обнаружения? какие приоритетные научные задачи это помогает решать?". (Что в очередной раз подтверждает, какую революцию произвел "Кеплер": пять лет назад сомневаться в ценности обнаружения каждой новой планеты и в голову б никому не пришло.) В качестве приоритета предлагается, к примеру, разобраться, откуда берется и как поддерживается популяция "горячих юпитеров" — планет-гигантов, обращающихся в непосредственной близости от своих звезд. Особенно интересно, как это происходит у молодых звезд.
Другой пример — поиск планет, которые можно будет подробно исследовать, прямо сейчас или в ближайшем будущем. Здесь в фаворе карликовые звезды, на неярком фоне которых планеты выглядят достаточно контрастно, чтобы заметить в спектре звезды следы, оставленные атмосферой планеты. Если среди этих следов будут вода и кислород, недолго поверить и в жизнь — мы не знаем как, помимо фотосинтеза, можно поддерживать в атмосфере концентрацию такого химически активного газа, как кислород, в чистом виде. В пользу карликов и более фантастический аргумент — поскольку далеко их не видно, мы одновременно концентрируемся на планетах, ближайших к Земле, к которым можно отправить исследовательский аппарат в рамках научной фантастики, не обращаясь к фантастике менее научной.
Наконец, из разряда крайней экзотики — поиски планет не просто у звезд-карликов, а у белых карликов — сверхплотных остывающих ядер звезд, которые свою жизнь уже прожили. Остывать они могут миллиарды лет, а наблюдения показывают, что планеты у них бывают, хотя до конца и не ясно, откуда. В принципе, нескольких миллиардов лет спокойного существования нашей Земле хватило, чтобы здесь зародилась жизнь, так почему заранее списывать со счетов планеты белых карликов? Экзотика, конечно, но интересная и по-своему красивая. Впрочем, в типичном поле зрения "Кеплера" подходящих белых карликов — около сотни, а с необходимым временным разрешением аппарат может следить за 500 объектами, так что налицо нерациональное использование ресурсов. Зато авторы проекта обещают за полгода найти целую сотню планет, движущихся в жилой зоне мертвой звезды.
Звезды изнутри
Другая группа проектов — исследования внутреннего строения звезд и его возрастных изменений с возрастом звезды. В качестве исследовательского инструмента здесь выступают колебания звезды — и масштабные пульсации, связанные с периодической перестройкой ее внутренних слоев, и слабенькие, чисто механические волны, не так уж отличающиеся от сейсмических волн в теле Земли. И те, и другие выливаются в изменения блеска, но если первые хорошо видно и с Земли (а потому их исследователям — они тоже подали пару проектов — будет ОЧЕНЬ трудно убедить НАСА, что поддержать надо именно их), то для изучения вторых сверхточные измерения из космоса оказались незаменимы.
Точность здесь нужна примерно такая же, как для обнаружения крохотных "миганий" от затмений планетами, потому уже не первый десяток лет астросейсмология и поиск внесолнечных планет идут рука об руку.
Сначала небольшой канадский космический телескоп MOST, потом по большей части французский CoRoT, за ним — американский "Кеплер". И у каждого были и планетная программа, и астросейсмологическая (собственно, только у "Кеплер" планетная — на первом месте), так что исследователи физики звезд не считают себя бедными родственниками и не испытают ни малейшего угрызения совести, если они будут использовать оставшийся при двух гиродинах "Кеплер" сугубо для своих целей. Впрочем, и опыта с реальными данными у них куда больше, так что в оценках возможных успехов "уполовиненного" "Кеплера" астросейсмологи гораздо сдержанней.
А вот два других проекта по физике звезд в состоянии удовлетвориться той точностью измерений, которую космический телескоп может гарантировать даже с двумя гиродинами. Первый касается скорости вращения звезд, которую оценивают по характерному изменению их яркости, когда звезда поворачивается к нам то пятнами, то более чистой стороной. Как показывают наблюдения, чем старше звезда, тем, при прочих равных условиях, медленнее она вращается. Но вот как раз для самых интересных, сравнительно старых звезд, зависимость между периодом вращения и возрастом известна плохо. "Кеплер" дает астрономам шанс закрыть эту лакуну — и получить простой и удобный способ измерения возраста наиболее распространенных в окрестностях Солнца звезд.
Второй проект — изучение затменно-переменных пар, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга и периодически затмевают одна другую. Такие пары — своего рода золотой стандарт звездной астрофизики. Астрономы к ним относятся с большим пиететом, потому что измерение их кривых блеска позволяет получить очень точные значения физических параметров обеих компонент — массы, размеров, температур и так далее, что очень жестко проверяет теории внутреннего строения звезд. Здесь тоже есть свой пробел — широкие пары с периодом вращения около года и более. Заметить их в земных обсерваториях сложно из-за смены сезонов, "Кеплер" же следит за одним и тем же полем уже четыре с лишним года.
Стоит ли говорить, что переводить телескоп на другую площадку неба исследователи затменных переменных категорически не рекомендуют.
Мусор и астероиды
Обычно, когда объявляют открытый конкурс на не вполне профильное использование специализированного прибора, преследуют две цели. Первая довольно неприглядная — чтобы на фоне того паноптикума откликов, который последует, более выгодно смотрелось консервативное предложение оставить все, как есть. Вторая благородней — а чем черт не шутит, вдруг кто-то действительно выдумает прибору какое-то полезное, а то и прорывное, применение, о котором никто до сих пор не задумывался. Поскольку в астрономической науке все и так более или менее на виду, риск реализации второго варианта невелик.
Однако в случае с "Кеплером" особого паноптикума не получилось.
Откровенно курьезных предложений всего два. Первое — искать космический мусор по фоне Земли, автор которого в духе ученых XVII века принял расфокусированные изображения звезд на матрице "Кеплера" за изображения их дисков. Второе — подсвечивать поле зрения космического телескопа с Земли лазером, чтобы помочь ему в поисках околоземных астероидов и комет; здесь автор рассчитал потребную мощность лазера и даже прикинул бюджет, но не стал обращать внимания на такие мелочи, как местонахождение и технические возможности телескопа, который решил использовать. Остальные предложения вполне пристойные — где-то предсказуемые, иногда до скучного, где-то неэффективные, где-то бессмысленные, но ничего экстраординарного.
А вот неожиданное и интересное предложение среди откликов нашлось — даже два, и оба они касаются поиска околоземных астероидов и прочих угрожающих нашей планете объектов; пусть и без лазера. По расчетам обеих групп, "Кеплер" сможет почти удвоить темпы обнаружения потенциально опасных астероидов и поможет НАСА найти 90% таких объектов к 2020 году. Такую задачу перед агентством поставил американский Конгресс, и вот уже 8 лет этим "Актом Джорджа Брауна-младшего" (названным в честь покойного конгрессмена, добивавшегося его принятия) ученые беззастенчиво пользуются. Без "Кеплера" выполнить задание в срок будет вряд ли возможно, а кроме того он в состоянии находить астероиды, угрожающие нашей планете с внутренней стороны орбиты, которые мы с Земли, глядя против Солнца, увидеть вовсе не в состоянии.
Правда, оба проекта по поиску астероидов предлагают существенные изменения в программном обеспечении "Кеплера", связанные, как и прежде с ограниченностью канала связи. Следы астероидов, которые медленно перемещаются среди звезд, предлагается искать сразу на борту космического аппарата. Притом один из предложенных алгоритмов даже не требует стабилизации — звезды могут плыть по матрице, главное, что они поплывут не так, как астероиды. Предполагается, что поиском следов займется бортовой процессор, который сейчас складывает и сжимает кривые блеска. К сожалению, хватит ли его ресурсов, ни один из проектов не оценивает, но оба выглядят вполне убедительно — и по проработке многих других деталей, и по авторскому составу.
Есть и другие предложения: наблюдать комету Чурюмова-Герасименко, планету Нептун, ядра далеких галактик и что-то ещё. Более того, многие сходу оговаривают, что для полного выполнения их проектов требуется значительно меньше ресурсов, чем имеется у "Кеплера" и заранее соглашаются оставаться в статусе побочных. Есть и прожекты коренного изменения способов накопления и первичной обработки данных, которые обещают позволить выполнить оригинальную программу и без злосчастных гиродинов. Правда, характер изменений здесь еще более радикальный, чем при поисках астероидов, а оценки необходимых вычислительных ресурсов еще более туманны.
Заключение
Крайний срок подачи откликов прошел, и сейчас команда "Кеплера" взяла паузу на изучение и систематизацию полученных предложений. Если какое-то предложение или их комбинация команду устроит, с ноября они начнут готовить план миссии — с подробным расписанием и бюджетом, который представят уже начальникам НАСА. А дальше все будет зависеть от "большого" начальства. По идее, работа "Кеплера" была одобрена до 2016 года, но то была программа полноценного (почти — с одним отказавшим гиродином) телескопа, которая завершилась раньше срока. Захотят ли большие начальники тратить ограниченные ресурсы агентства на частично вышедший из строя аппарат? Сработает ли в очередной раз "Акт Джорджа Брауна-младшего"? Узнаем весной северного полушария. Если, конечно, еще раньше, в ноябре, команда "Кеплера" не объявит, что никаких путных предложений не получила. Или что-нибудь еще более интересное.
