Обсерватория обитаемых экзопланет
 Космическая обсерватория HabEx вместе со своим звездным небосводом | |
| Тип миссии | Космическая обсерватория |
|---|---|
| Оператор | НАСА |
| Веб-сайт | www.jpl.nasa.gov/habex/ |
| Продолжительность миссии | 5–10 лет (предложено) [1] |
| Свойства космического корабля | |
| Стартовая масса | 18 550 кг (40 900 фунтов) (максимум) [1] |
| Сухая масса | ≈10 160 кг (22 400 фунтов) |
| Масса полезной нагрузки | ≈6 080 кг (13 400 фунтов) (телескоп + инструменты) |
| Власть | 6,9 кВт (максимум) [1] |
| Начало миссии | |
| Дата запуска | 2035 (предложено) |
| Ракета | Обсерватория: Космическая пусковая установка (SLS) Блок 1B [1] Starshade: Falcon Heavy |
| Параметры орбиты | |
| Режим | Точка Лагранжа (Солнце-Земля L2) |
| Основной | |
| Диаметр | 4 м (13 футов) |
| Длины волн | Видимый; возможно УФ, ближний ИК, ИК (91 – 1000 нм) |
| Разрешение | R ≥ 60 000; SNR ≥ 5 на элемент разрешения на объектах с блеском AB ≥ 20 (GALEX FUV) при времени экспозиции ≤12 ч [1] |
| Инструменты | |
| VIS-камера, УФ-спектрограф, коронограф , звездный фонарь [1] [2] | |
Обсерватория обитаемых экзопланет ( HabEx ) — это концепция космического телескопа , которая будет оптимизирована для поиска и получения изображений обитаемых экзопланет размером с Землю в обитаемых зонах их звезд, где может существовать жидкая вода . HabEx будет стремиться понять, насколько распространены земные миры за пределами Солнечной системы , и определить диапазон их характеристик. Это будет оптический, ультрафиолетовый и инфракрасный телескоп, который также будет использовать спектрографы для изучения планетарных атмосфер и затмения звездного света либо с внутренним коронографом , либо с внешним звездным тентом . [3]
Предложение, впервые выдвинутое в 2016 году, касается крупных стратегических научных миссий NASA . Она будет работать в точке Лагранжа L2 .
В январе 2023 года была предложена новая концепция космического телескопа под названием Обсерватория обитаемых миров (HWO), которая опирается на HabEx и Большой ультрафиолетовый оптический инфракрасный телескоп (LUVOIR). [4]
Обзор
В 2016 году NASA начало рассматривать четыре различных космических телескопа в качестве следующего флагмана ( крупные стратегические научные миссии ) после космического телескопа Джеймса Уэбба и римского космического телескопа Нэнси Грейс . [3] Это Habitable Exoplanet Observatory (HabEx), Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), Origins Space Telescope и Lynx X-ray Surveyor . В 2019 году четыре команды передали свои окончательные отчеты Национальной академии наук , чей независимый комитет Decadal Survey консультирует NASA о том, какая миссия должна иметь наивысший приоритет. [3]
Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) — это концепция миссии по получению прямых изображений планетных систем вокруг звезд, подобных Солнцу. [5] [6] HabEx будет чувствителен ко всем типам планет; однако его главная цель — получение прямых изображений скалистых экзопланет размером с Землю и характеристика их атмосферного содержимого . Измеряя спектры этих планет, HabEx будет искать признаки обитаемости, такие как вода, и будет чувствителен к газам в атмосфере, потенциально указывающим на биологическую активность, таким как кислород или озон. [6]
В 2021 году Национальная академия наук опубликовала свои окончательные рекомендации в Decadal Survey. В нем рекомендовалось, чтобы NASA рассмотрело новый телескоп с 6-метровой (20-футовой) апертурой, сочетающий элементы дизайна LUVOIR и HabEx. Новый телескоп будет называться Habitable Worlds Observatory (HWO). Предварительная дата запуска была назначена на 2040 год, а бюджет оценивался в 11 миллиардов долларов. [7] [8] [9]
Движущие силы и цели науки
Основной научной целью HabEx является открытие и характеристика планет размером с Землю в обитаемых зонах близлежащих звезд главной последовательности. Проект также будет изучать весь спектр экзопланет в системах и обеспечивать широкий спектр общих астрофизических исследований.
В частности, миссия будет направлена на поиск признаков обитаемости и биосигнатур в атмосферах каменистых планет размером с Землю, расположенных в обитаемой зоне близлежащих звезд солнечного типа. [10] Особенности поглощения от CH
4, Н
2О , Нью-Гэмпшир
3, и CO , а также особенности излучения Na и K , находятся в диапазоне длин волн ожидаемых наблюдений HabEx.
С контрастом, который в 1000 раз лучше, чем тот, который достижим с космическим телескопом Хаббл , [10] HabEx может разрешить большие пылевые структуры , отслеживая гравитационное воздействие планет. Впервые сфотографировав несколько слабых протопланетных дисков , HabEx позволит провести сравнительные исследования запасов и свойств пыли в широком диапазоне звездных классификаций . [5] Это покажет Солнечную систему в перспективе не только с точки зрения популяций экзопланет, но и с точки зрения морфологии пылевых поясов. [10]
Общая астрономия
Общие астрометрические и астрофизические наблюдения могут быть выполнены, если это оправдано высокой научной отдачей, при этом оставаясь совместимыми с основными целями экзопланетной науки и предпочтительной архитектурой. В настоящее время рассматривается широкий спектр исследований для общей астрофизической программы HabEx. Они варьируются от исследований утечки галактик и реионизации межгалактической среды посредством измерений доли выхода ионизирующих фотонов до исследований жизненного цикла барионов , когда они втекают и вытекают из галактик, до разрешенных исследований звездного населения, включая влияние массивных звезд и других местных условий окружающей среды на скорость и историю звездообразования. [10] Более экзотические приложения включают астрометрические наблюдения местных карликовых галактик , чтобы помочь ограничить природу темной материи , и точное измерение локального значения постоянной Хаббла . [10]
В следующей таблице обобщены возможные исследования, которые в настоящее время предлагаются для общей астрофизики HabEx: [10]
| Научный водитель | Наблюдение | Длина волны |
|---|---|---|
| Местная постоянная Хаббла | Изображение Цефеиды в галактиках-хозяевах сверхновых типа Ia | Оптический - NIS |
| Утечка в галактике и реионизация | УФ-визуализация галактик ( фракция выхода фотонов LyC ) | УФ, предпочтительно до LyC при 91 нм |
| Космический барионный цикл | УФ-визуализация и спектроскопия линий поглощения в фоновых квазарах | Визуализация: до 115 нм Спектроскопия: до 91 нм |
| Массивные звезды /отзывы | УФ-визуализация и спектроскопия в Млечном Пути и близлежащих галактиках | Визуализация: 110–1000 нм Спектроскопия: 120–160 нм |
| Звездная археология | Разрешенная фотометрия отдельных звезд в соседних галактиках | Оптический: 500–1000 нм |
| Темная материя | Фотометрия и астрометрическое собственное движение звезд в карликовых галактиках местной группы | Оптический: 500–1000 нм |
Предварительные желаемые характеристики
Исходя из научных движущих сил и цели, исследователи рассматривают прямую визуализацию и спектроскопию отраженного звездного света в видимом спектре с возможным расширением до УФ и ближней инфракрасной части спектра . Телескоп имеет первичное монолитное зеркало диаметром 4 метра (13 футов).
Абсолютный минимальный непрерывный диапазон длин волн составляет от 0,4 до 1 мкм, с возможными расширениями в коротковолновом диапазоне ниже 0,3 мкм и расширениями в ближнем инфракрасном диапазоне до 1,7 мкм или даже 2,5 мкм, в зависимости от стоимости и сложности. [10]
Для характеристики внеземных атмосфер , переход к более длинным волнам потребует 52-метровый (171 фут) starshade, который будет запускаться отдельно на Falcon Heavy , [1] или более крупный телескоп, чтобы уменьшить количество фонового света. Альтернативой было бы сохранение небольшого размера коронографа . Характеристика экзопланет на длинах волн короче ~350 нм потребует полностью УФ-чувствительного высококонтрастного оптического поезда для сохранения пропускной способности, и сделает все требования к волновому фронту более строгими, будь то для архитектуры starshade или коронографа. [10] Такое высокое пространственное разрешение, высококонтрастные наблюдения также откроют уникальные возможности для изучения формирования и эволюции звезд и галактик.
Биосигнатуры
HabEx будет искать потенциальные биосигнатурные газы в атмосферах экзопланет, такие как O
2(0,69 и 0,76 мкм) и его фотолитический продукт озон ( O
3). Что касается длинных волн, то расширение наблюдений до 1,7 мкм позволит искать сильные дополнительные признаки воды (на 1,13 и 1,41 мкм), а также позволит искать доказательства того, что обнаруженный O
2и О
3газы были созданы абиотическими процессами (например, путем поиска признаков из CO
2, СО, О
4). Дальнейшие возможности инфракрасного диапазона до ~2,5 мкм позволят искать вторичные объекты, такие как метан ( CH
4), что может соответствовать биологическим процессам. Дальнейшее продвижение в УФ может также позволить отличить биотическую атмосферу с высоким содержанием O 2 от абиотической атмосферы с CO
2-богатая атмосфера, основанная на поглощении озона 0,3 мкм. [10]
Молекулярный кислород ( O
2) может быть получен в результате геофизических процессов, а также в качестве побочного продукта фотосинтеза форм жизни , поэтому, хотя это и обнадеживает, O
2не является определенной биосигнатурой, если только ее не рассматривать в контексте окружающей среды. То есть, хотя производство O2 до ~20% от содержания в атмосфере, по-видимому, является частью жизни на Земле, слишком много кислорода на самом деле ядовито для жизни, какой ее знают люди, и может легко быть создано планетарными ситуациями, такими как невероятно глубокий мировой океан. [11] [12] [13] [14] [15]
Ссылки
- ^ abcdefg Заключительный отчет HabEx. Исследовательская группа Habitable Exoplanet Observatory. JPL/NASA. 29 августа 2019 г.
В этой статье используется текст из этого источника, который находится в открытом доступе . - ^ HabEx Instruments Suite. NASA JPL. Доступно 11 декабря 2019 г. В этой статье используется текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .
- ^ abc Скоулз, Сара (30 марта 2016 г.). «NASA рассматривает свой следующий флагманский космический телескоп». Scientific American . Получено 15 октября 2017 г. .
- ^ Клери, Дэниел (9 января 2023 г.). «NASA представляет первоначальный план создания телескопа стоимостью в несколько миллиардов долларов для поиска жизни в инопланетных мирах». Science.org . Получено 23 января 2024 г.
- ^ ab Mennesson, Bertrand (6 января 2016 г.). "Исследование миссии по обнаружению экзопланеты (HabEx)" (PDF) . JPL (NASA). Архивировано из оригинала (PDF) 23 декабря 2016 г. . Получено 15 октября 2017 г. . В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
- ^ ab Сигер, Сара; Гауди, Скотт; Меннессон, Бертран. "Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx)". Лаборатория реактивного движения . NASA . Получено 15 октября 2017 г. В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
- ^ Foust, Jeff (4 ноября 2021 г.). «Astrophysics decadal survey recommends a program of flagship space telescopes» (Десятилетний обзор астрофизики рекомендует программу флагманских космических телескопов). SpaceNews . Получено 12 апреля 2022 г.
- ↑ Овербай, Деннис (4 ноября 2021 г.). «Новый 10-летний план для космоса — в списке желаний астрономов на следующее десятилетие: два гигантских телескопа и космический телескоп для поиска жизни и пригодных для жизни миров за пределами Земли». The New York Times . Получено 12 апреля 2022 г.
- ↑ Сотрудники (4 ноября 2021 г.). «Новый отчет намечает путь к следующему десятилетию астрономии и астрофизики; рекомендует будущее наземных и космических исследований — телескопы, научные приоритеты, инвестиции в научное сообщество». Национальные академии наук, инженерии и медицины . Получено 12 апреля 2022 г.
- ^ abcdefghi Mennesson, Bertrand; Gaudi, Scott; Seager, Sara; Cahoy, Kerri; Domagal-Goldman, Shawn; et al. (24 августа 2016 г.). "The Habitable Exoplanet (Hab Ex) Imaging Mission: Preliminary science drivers and technical requirements" (PDF) . В MacEwen, Howard A.; et al. (ред.). The Habitable Exoplanet (HabEx) Imaging Mission: Preliminary science drivers and technical requirements . Space Telescopes and Instrumentation 2016: Optical, Infrared, and Millimeter Wave. Vol. 9904. SPIE. pp. 99040L. doi :10.1117/12.2240457. hdl : 1721.1/116467 .
- ^ Леже, Ален (2004). «Новое семейство планет? «Планеты-океаны»". Icarus . 169 (2): 499– 504. arXiv : astro-ph/0308324 . Bibcode :2004Icar..169..499L. doi :10.1016/j.icarus.2004.01.001. S2CID 119101078.
- ^ Люгер, Р.; Барнс, Р. (2015). «Экстремальная потеря воды и абиотическое накопление O2 на планетах в обитаемых зонах карликов класса М». Астробиология . 15 (2): 119– 143. arXiv : 1411.7412 . Bibcode : 2015AsBio..15..119L. doi : 10.1089/ast.2014.1231. PMC 4323125. PMID 25629240.
- ^ Нарита, Норио; Эномото, Такафуми; Масаока, Сигэюки; Кусакабэ, Нобухико (2015). «Титания может создавать абиотическую кислородную атмосферу на обитаемых экзопланетах». Научные отчеты . 5 : 13977. arXiv : 1509.03123 . Бибкод : 2015NatSR...513977N. дои : 10.1038/srep13977. ПМК 4564821 . ПМИД 26354078.
- ^ Сигер, Сара (2013). «Обитаемость экзопланет». Science . 340 (577): 577– 581. Bibcode :2013Sci...340..577S. doi :10.1126/science.1232226. PMID 23641111. S2CID 206546351.
- ^ Лисс, Кэри (2020). «Геологически надежная процедура наблюдения за скалистыми экзопланетами для обеспечения того, чтобы обнаружение атмосферного кислорода было современной биосигнатурой земного типа». Astrophysical Journal Letters . 898 (577): L17. arXiv : 2006.07403 . Bibcode : 2020ApJ...898L..17L. doi : 10.3847/2041-8213/ab9b91 . S2CID 219687224.
Внешние ссылки
- Заключительный отчет 2019 в JPL/NASA
- Документы HabEx в JPL/NASA