Planeti veličine Zemlje oko zvijezda sličnih Suncu među najtežim su svjetovima za proučavanje jer su njihovi atmosferski signali iznimno slabi, a prilike za mjerenje rijetke. Novi koncept Life 2.0 predlaže radikalno drukčije rješenje: 900 manjih svemirskih teleskopa koji bi zajedno mogli prikupiti dovoljno svjetlosti za analizu atmosfere tijekom samo jednog prolaska planeta ispred njegove zvijezde.
Astronomi su dosad otkrili tisuće planeta izvan Sunčeva sustava, ali pronalazak svijeta veličine Zemlje tek je prvi korak. Mnogo teži posao počinje kada treba utvrditi ima li taj planet atmosferu, od kojih se plinova ona sastoji i postoje li u njoj kemijski tragovi koji bi mogli upućivati na uvjete pogodne za život.
Kod planeta nalik Zemlji koji kruži oko zvijezde slične Suncu taj je zadatak posebno zahtjevan. Atmosfera ostavlja vrlo slab trag u svjetlosti zvijezde, a planet preko njezina diska, gledano sa Zemlje, prolazi otprilike jednom godišnje. Za razliku od mnogih velikih egzoplaneta koji oko svojih zvijezda kruže u samo nekoliko dana, ovdje nema mogućnosti da se desetci mjerenja brzo ponove i zatim spoje u jedan kvalitetniji rezultat.
Upravo taj problem pokušava riješiti Life 2.0, koncept koji su Jian Ge sa Šangajskog astronomskog opservatorija i njegovi suradnici iz Kine i Španjolske predstavili u radu objavljenom 5. kolovoza na arXivu. Riječ je o preprintu i prijedlogu buduće misije, a ne o odobrenom projektu ili sustavu koji se već gradi.
Atmosfera se otkriva u djeliću zvjezdane svjetlosti
Kada planet prolazi ispred svoje zvijezde, blokira dio njezine svjetlosti. Sićušan dio svjetlosti pritom prolazi kroz planetovu atmosferu prije nego što stigne do teleskopa.
Plinovi u atmosferi apsorbiraju svjetlost na određenim valnim duljinama. Kada astronomi tu svjetlost razlože na spektar, mogu tražiti karakteristične tragove pojedinih molekula. Metoda se naziva transmisijska spektroskopija i već se koristi za proučavanje atmosfera egzoplaneta.
Problem je u veličini signala. Prema autorima rada, čak bi i najsnažniji atmosferski tragovi kod planeta poput Zemlje koji kruži oko zvijezde poput Sunca bili reda veličine jednog dijela na milijun. Drugim riječima, astronomi pokušavaju izdvojiti gotovo neprimjetnu promjenu iz svjetlosti zvijezde koja je neusporedivo snažnija.
Današnji teleskopi taj problem kod nekih planeta rješavaju ponavljanjem opažanja. Primjerice, veliki plinoviti planeti koji kruže vrlo blizu svojih zvijezda mogu prolaziti preko njihova diska svakih nekoliko dana. Astronomi tada mogu spojiti podatke iz više prolazaka i postupno izdvojiti slab atmosferski signal.
Kod Zemljina analoga na orbiti sličnoj našoj jedan obilazak traje približno godinu dana. Deset prolazaka zato znači približno deset godina čekanja. Life 2.0 polazi od drukčijeg zahtjeva: prikupiti dovoljno kvalitetne podatke tijekom samo jednog prolaska.
Umjesto jednog golemog teleskopa, njih 900
Za takvo mjerenje trebalo bi prikupiti mnogo više svjetlosti nego što to mogu današnji svemirski teleskopi. Autori procjenjuju da bi bila potrebna sposobnost prikupljanja fotona usporediva s teleskopom otvora oko 30 metara. Za usporedbu, primarno zrcalo Svemirskog teleskopa James Webb ima promjer 6,5 metara.
Gradnja jednog svemirskog teleskopa s otvorom od približno 30 metara bila bi iznimno zahtjevna. Life 2.0 zato predlaže potpuno drukčiju arhitekturu.
Sustav bi činilo 900 teleskopa sa zrcalima promjera jednog metra. Svaki bi imao vlastiti mali spektrograf i CMOS detektor s vrlo niskim šumom. Svi bi istodobno promatrali isti planet tijekom njegova prolaska ispred zvijezde. Svaki spektar zasebno bi se kalibrirao, a podaci bi se nakon promatranja spojili.
Ne bi, dakle, bilo potrebno povezivati teleskope u jedan golemi optički instrument koji mora raditi poput jedinstvenog zrcala. Njihova je uloga prikupiti velik broj neovisnih mjerenja istoga događaja. Prema izračunima autora, kombinirani sustav imao bi, pri predviđenoj spektralnoj razlučivosti, sposobnost prikupljanja fotona približno jednaku teleskopu s otvorom od 30 metara.
Koncept se oslanja i na mogućnost serijske proizvodnje velikog broja jednakih teleskopa. Predviđena su lagana zrcala od silicijeva karbida, dok bi svaki teleskop nosio minijaturni valovodni spektrograf. Prototipovi elemenata na kojima se takav spektrograf temelji već su, prema radu, ostvarili propusnost između 40 i 66 posto.
U spektru bi tražili kisik, ozon i vodenu paru
Predloženi instrumenti promatrali bi područje spektra od 200 nanometara do 1,05 mikrometara. Taj raspon obuhvaća tragove ozona, molekularnog kisika i vodene pare, kao i druge podatke koji mogu pomoći u određivanju svojstava atmosfere. U budućnosti bi se raspon mogao proširiti prema infracrvenim valnim duljinama ako razvoj detektora to omogući.
Takvi plinovi posebno su zanimljivi u potrazi za biopotpisima, kemijskim obilježjima koja mogu biti povezana sa životom. Njihovo otkrivanje ipak ne bi predstavljalo dokaz da je planet nastanjen. Isti plin može nastati različitim procesima, pa njegovu prisutnost treba tumačiti zajedno s drugim sastojcima atmosfere, svojstvima planeta i aktivnošću njegove zvijezde.
Koliko je atmosfera važna u procjeni nekog svijeta pokazao je i nedavni slučaj LHS-a 140 b, gdje su astronomi otkrili helij koji izlazi iz gornjih slojeva atmosfere stjenovitog planeta u nastanjivoj zoni. Prethodno sam pisao i o tome zašto prvi mogući trag života možda neće biti pronađen na planetu koji najviše nalikuje Zemlji, upravo zato što su atmosfere nekih većih svjetova mnogo lakše dostupne današnjim instrumentima.
Najteži dio tek treba dokazati
Devetsto teleskopa ne uklanja sve prepreke. Kada se pokušava izmjeriti promjena od približno jednog dijela na milijun, sitne pogreške detektora, promjene u radu instrumenata i prirodna promjenjivost same zvijezde mogu biti jednako važne kao i količina prikupljene svjetlosti.
Autori zato izričito navode sustavne pogreške detektora, stabilnost instrumenata i zvjezdanu aktivnost među glavnim problemima koje Life 2.0 tek mora riješiti. Koncept se oslanja na napredak u kalibraciji i obradi podataka ostvaren tijekom rada teleskopa James Webb, ali potrebna preciznost za planet koji doista nalikuje Zemlji još nije demonstrirana.
Life 2.0 zamišljen je kao mogući sljedeći korak nakon misija koje prvo moraju pronaći odgovarajuće planete. Među njima su europski PLATO i kineski Earth 2.0, obje usmjerene na potragu za svjetovima koji bi mogli postati mete za detaljnija atmosferska mjerenja.
Pronađemo li planet veličine Zemlje na orbiti sličnoj našoj, njegovo postojanje bit će tek dio priče. Puno teže bit će doznati kakav se svijet zapravo krije iza nekoliko piksela i jedva mjerljive promjene u svjetlosti njegove zvijezde.
