2035

Регистрация гравитационных волн в космосе

Черные дыры, нежданные дети общей теории относительности Эйнштейна, обладают такой плотностью при относительно небольших размерах, что удерживают в своих объятиях все подряд, включая доказательства своего существования. В 2016 году завеса тайны наконец была приподнята – зарегистрировали гравитационные волны, порожденные слиянием черных дыр в отдаленной области Вселенной. Но еще до объявления этих результатов астрофизики были уверены в реальности черных дыр – множество явлений нельзя было объяснить иначе, чем существованием сверхплотных массивных тел, лишенных материальной поверхности.

Регистрация гравитационных волн, позволившая исследовать динамику пространства-времени в момент слияния черных дыр, стала прямым доказательством существования этих объектов. Прохождение гравитационной волны вызывает изменение на один аттометр (миллиардная доля миллиардной доли метра) длины ортогональных плеч протяженностью в несколько километров. Столь незначительную разницу длин можно зарегистрировать, сравнив с помощью интерферометра время пробега двух лазерных лучей, совершающих очень частые колебания вдоль плеча. Однако на Земле плечи регистрирующих устройств невозможно сделать такими длинными, как это необходимо для регистрации низкочастотных (менее десяти герц) гравитационных волн. Такие волны образуются при слиянии сверхмассивных черных дыр, находящихся в ядрах галактик. Из-за постоянных сейсмических шумов регистрировать такие события на Земле невозможно.

Этих ограничений можно избежать, вынеся интерферометр в космос. Именно такова идея лазерной интерферометрической космической антенны LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – миссии, разрабатываемой Европейским космическим агентством (ESA) еще с 1990-х годов. Планировавшееся с самого начала проекта сотрудничество с НАСА продвигалось с трудом, но первая регистрация гравитационных волн в 2016 году заставила НАСА возобновить свое участие в работах. Возвращение НАСА было, кроме того, связано с успехом европейского зонда LISA Pathfinder, продемонстрировавшего технические возможности будущей гравитационно-волновой обсерватории. В 2017 году при участии НАСА ЕКА представило окончательную схему интерферометра LISA: обсерватория будет состоять из трех элементов, расположенных в вершинах треугольника на гелиоцентрической орбите в пятидесяти миллионах километров от Земли. Эти три зонда предполагается запустить в 2034 году на ракете-носителе Ariane-5; после длительной настройки LISA должна будет начать регистрировать низкочастотные гравитационные волны.

2042

Встреча с внеземной жизнью

Апрель 2014 года. Американская исследовательница Элиза Кинтана и ее коллеги объявили об открытии планеты Kepler 186f. Буква f в ее обозначении говорит о том, что это пятая планета, зарегистрированная космическим телескопом «Кеплер» в планетной системе звезды Kepler 186, красного карлика спектрального класса M1V. Звезда находится в созвездии Лебедя на расстоянии около пятисот световых лет от Солнца. Как и тысячи других экзопланет, открытых телескопом Кеплер за время его службы, завершившейся в 2018 году, планета Kepler 186f была обнаружена во время транзита – прохождения между наблюдателем и материнской звездой. Этим методом можно измерить орбитальный период (129,9 дней) и отношение радиусов планеты и ее звезды. Радиус звезды, полученный по ее спектральному классу, в два раза меньше солнечного – отсюда можно сделать вывод, что планета Kepler 186f по своим размерам сравнима с Землей.

Зная средний радиус орбиты планеты Kepler 186f (0,38 астрономической единицы), можно рассчитать, что она получает от своей звезды примерно в три раза меньше энергии, чем Земля получает от Солнца. Это значит, что она расположена в потенциально обитаемой зоне своей звезды – температура на ее поверхности достаточно высока, чтобы вода там могла оставаться в жидком состоянии. Ученые, оценивающие возможности существования внеземной жизни, полагают, что жидкая вода для возникновения жизни необходима. Поэтому за несколько лет, прошедших с момента ее открытия, планета Kepler 186f стала одной из главных целей программы исследования атмосфер землеподобных экзопланет, расположенных в зонах обитания. Такие исследования очень сложны – слабый отраженный свет планеты Kepler 186f практически неразличим на ярком фоне свечения звезды. Проблема может быть решена, если вести наблюдения в инфракрасных лучах, в которых звезда выглядит тусклее, а планета – ярче.

Апрель 2042 года. Астрономы, наконец, располагают точными технологиями космических наблюдений в инфракрасной части спектра. С помощью высокочувствительных инфракрасных спектрографов они исследуют экзопланеты, расположенные в пределах зон обитания звезд. В спектре планеты Kepler 186f удается обнаружить признаки внеземной жизни: в атмосфере планеты зарегистрированы следы водяного пара и молекулярного кислорода, двух самых надежных биомаркеров. Ведь молекулярный кислород – продукт бактериального фотосинтеза, такого же, какой шел в земных океанах более трех с половиной миллиарда лет назад!

2051