Наука потеряла телескоп «Кеплер»

Телескоп «Кеплер» вышел из строя. У «охотника за планетами» сломался один из трех оставшихся гироскопов, а компьютер космической обсерватории перешел в безопасный режим. Вероятность того, что инженерам NASA удастся каким-то образом реанимировать сломавшийся гироскоп, стремится к нулю, а без него все прецизионное оборудование «Кеплера» бесполезно. Это означает, что пора подвести итоги революционной миссии, изменившей представления астрономов об экзопланетах.

В течение всего периода работы «Кеплер» по праву был завсегдатаем научных новостей. Это неудивительно: всего четверть века назад астрономы не могли и надеяться узнать так много о планетах, удаленных на расстояние в тысячи световых лет. Масштаб прогресса становится ясен, если вспомнить о том, что Плутон (хоть и разжалованный несколько лет назад в карликовые планеты) был открыт только в 1930 году. А ведь расстояние до него как минимум в полтора миллиона раз меньше, чем до ближайшей экзопланеты, открытой «Кеплером».


Планеты, в отличие от звезд, не излучают собственный свет, а их отраженный свет настолько слаб, что увидеть его можно лишь в исключительных случаях. Поэтому для поиска экзопланет ученые преимущественно используют два косвенных метода — допплеровский и транзитный. Первый основан на обнаружении смещения звезды вокруг общего с планетой центра массы, а второй фактически сводится к поиску тени планеты. И тот, и другой, впрочем, имеют свои недостатки.

Допплеровский метод полагается на высокоточные спектрометры, которые могут зафиксировать шатание звезды вдоль оси, направленной на наблюдателя: если звезда удаляется, ее свет смещается в красную область, если приближается — в синюю. На оптический спектр практически не оказывает влияния атмосфера, поэтому «ловить планеты» допплеровским методом можно с Земли при помощи обычных телескопов.


Однако значительные колебания могут быть вызваны только очень массивными объектами, расположенными вблизи звезды, поэтому большинство найденных таким способом экзопланет неминуемо оказывается гигантами. Если же нам интересны скорее небольшие, более схожие с Землей планеты, тогда этот метод поиска нам не подойдет.

Транзитный метод основан на анализе интенсивности света (блеска) звезды, а не спектра. А это значит, что телескоп, охотящийся за экзопланетами транзитным методом, должен быть выведен не только за пределы атмосферы, но и за пределы окрестностей Земли, которая в противном случае будет мешать прибору своим постоянно меняющимся отраженным светом.

Именно поэтому 7 марта 2009 года «Кеплер» стартовал на гелиоцентрическую орбиту, похожую на орбиту самой Земли. Большая удаленность обусловила исключительную чувствительность прибора, однако она же стала для него роковой: если бы телескоп, подобно «Хабблу», находился поблизости, возникшую поломку теоретически можно было бы починить. Это, кстати говоря, с «дедушкой» космических телескопов уже неоднократно проделывали (впрочем, общая стоимость «Кеплера» меньше стоимости сервисного полета шаттла, да и шаттлов сейчас нет).

«Кеплер» существенно отличался от «Хаббла» и в другом отношении. Если «Хаббл», как телескоп общего назначения, может по запросу снимать интересные объекты, находящиеся в разных частях космоса, то «Кеплер» был нацелен строго на определенный участок неба в нашем рукаве Млечного пути. Дело в том, что для обнаружения потенциальной планеты нужно зафиксировать как минимум три транзита — три прохождения планетой диска ее звезды (иначе просто непонятно, чем было вызвано падение ее яркости). Дожидаться таких транзитов можно долго (а именно ровно столько, сколько потребуется планете для того, чтобы трижды пройти свою орбиту), поэтому с каждым днем наблюдений общая их ценность повышалась. Если бы аппарат проработал до 2016 года, как планировалось при продлении срока основной миссии, Кеплер потенциально мог бы обнаружить планеты на орбитах, где год вдвое длиннее земного.

Вообще говоря, количество транзитов, необходимых для надежного поиска планет, зависит от чувствительности прибора, а с ней у «Кеплера» все вышло не так гладко, как принято считать. Реальный уровень шума оказался в два раза больше, чем рассчитывали создатели, и, хотя большая его часть возникла «по вине» нестабильно излучающих звезд, это существенно снизило качество собираемой телескопом статистики.


Проблема с шумом в данных оказалась не единственной неприятностью астрономов. Чуть менее года назад, 14 июля, отказал один из четырех гироскопов, поддерживающих положение «Кеплера». Сама по себе поломка не привела к каким-то ощутимым результатам, однако телескоп лишился единственного запасного стабилизатора. Поэтому, когда спустя всего полгода инженеры обнаружили неисправности еще в одном гироскопе, ситуация оказалась крайне серьезной.

17 января NASA сообщило о том, что в одном из стабилизаторов сильно возросло трение, что может говорить о его механическом повреждении. Работа телескопа была прекращена на 10 дней, за которые инженеры должны были определиться со способами решения проблемы. 29 января «Кеплер» вернулся к обычной работе, однако датчики продолжали фиксировать аномальное трение.


14 мая во время попытки связаться с телескопом (прибор ежемесячно сбрасывает данные на Землю) ученые выяснили, что компьютер «Кеплера» оказался в безопасном режиме. Из сообщения NASA следует, что это была не первая попытка связи в мае 2013 года, и в прошлый раз компьютер находился в таком же состоянии. Вкупе с информацией, полученной от механических датчиков, этот факт почти однозначно говорит о том, что барахливший ранее гироскоп вышел из строя, а вместе с ним оказался бесполезен и весь телескоп.

Сейчас инженеры перевели «Кеплер» в особый топливосберегающий режим (Point Rest State) и поддерживают положение аппарата при помощи двигателей. Так может продолжаться достаточно долго — от нескольких месяцев до нескольких лет. Однако, если специалисты не найдут какой-либо экстраординарный способ реанимировать хотя бы один из сломавшихся гироскопов, для поиска экзопланет такой прибор будет совершенно бесполезен.

Выполнил ли «Кеплер» свою миссию? С формальной точки зрения — да, причем еще в ноябре 2012 года, по завершении изначально назначенных трех с половиной лет работы. Финансирование расширенной миссии было продлено до 2016 года, и нет сомнений, что было бы продлено и дальше — если бы только телескоп продолжал работать (для охлаждения матриц устройства не использовались сжиженные газы, поэтому он мог работать очень долго).

Гораздо важнее, однако, тот факт, что «Кеплер» коренным образом изменил представление астрономов об экзопланетах. Дело в том, что, находясь в Солнечной системе и не имея информации о других планетах, астрономы не знают, насколько наша планетарная система особенная и насколько распространены планеты, подобные нашей. Вопрос уникальности Земли влияет на самые разные области знания — от обычной астрофизики до космологии и антропного принципа.

Благодаря данным «Кеплера» теперь мы точно знаем ответ: таких планет, как Земля, и планет, лишь немного превосходящих ее по массе, существует огромное количество. По крайней мере в нашей галактике. Тех и других лишь немного меньше, чем всех остальных экзопланет, включая газовые гиганты, а ведь именно их преимущественно и находили старым допплеровским методом. «Кеплер» позволил установить, что примерно каждая шестая звезда в нашей галактике содержит планету, похожую размером на Землю, и многие из них находятся в зоне обитаемости — там, где возможно существование жидкой воды.


Гибель «Кеплера» нечем восполнить. На данный момент других подобных телескопов нет (маленький европейский COROT не в счет), и когда они появятся — неясно. Утешением, хотя и очень слабым, может быть тот факт, что еще не все собранные телескопом данные были опубликованы. Кроме того, в последние несколько месяцев появились работы, в которых ученые предлагают взглянуть совершенно по-другому на уже полученные телескопом данные. Было предложено искать в колебаниях яркости звезд не транзитные спады, а другие следы — либо релятивистское микролинзирование, либо еще более сложный набор эффектов влияния наличия планеты вблизи от звезды. Насколько эффективны новые методы анализа данных, покажет время. В любом случае архив «Кеплера» останется с нами.