ATLAST

ATLAST, используя внутренний коронограф или внешнее устройство блокирования света звёзд (оккультер), может описать атмосферу и поверхность экзопланет, размером с Землю в обитаемой зоне долгоживущих звёзд на расстояниях до 45 парсек (~ 146 световых лет), включая скорость их вращения, климат, и возможную обитаемость. ATLAST также позволит собрать информацию об особенностях поверхности, изменениях в облачном покрове и климате, а также, возможно, сезонных колебаниях покрывающей растительности[1].

Для выполнения успешного поиска биомаркеров на экзопланетах необходим космический телескоп с большой апертурой, который позволит решить четыре основные проблемы, связанные с таким поиском.

Первая и основная проблема: планеты размером с Землю являются очень тусклыми. Двойник Земли на расстоянии 32 св. лет, вращающийся вокруг звезды G-класса, будет иметь звёздную величину V ~30. Для обнаружения биомаркеров, к примеру молекулярного кислорода, в атмосфере экзопланеты от телескопа требуется способность получения прямой спектроскопии такого слабого источника.

Вторая проблема: средний угловой размер обитаемой зоны вокруг ближайших F, G, K-звёзд составляет менее 100 угловых миллисекунд (mas). Таким образом, система, формирующая изображение должна обладать угловым разрешением ~ 10—25 mas для приемлемого выделения экзопланеты.

Третья проблема: прямое наблюдение планет, размером с Землю в обитаемой зоне требует высокой контрастности от системы, формирующей изображение, а также блокирование света звезды. Из расчётов следует, что требуемый фактор подавления света звёзд составляет от ${\displaystyle 10^{-9}}$ до ${\displaystyle 10^{-10}}$. Некоторые ныне существующие методы способны предоставить такой высокий уровень контраста, однако все они требуют стабильности волнового фронта, который недостижим при использовании наземных телескопов, вследствие влияния атмосферы Земли. Поэтому для достижения требуемой стабильности волнового фронта необходимы телескопы космического базирования. И наконец, планеты с биомаркерами могут быть достаточно редки, из-за чего потребуется просматривать десятки или даже сотни звёзд, чтобы найти лишь небольшое количество планет с наличием признаков жизни. Число звёзд, для которых ATLAST сможет получить спектр экзопланет, при заданном соотношении сигнал/шум и за приемлемое время, приблизительно равно ${\displaystyle D^{3}}$, где D — диаметр апертуры телескопа. Расчёты показывают, что для того, чтобы увеличить шансы на успешное обнаружение биомаркеров у планет ближайших звёзд необходим телескоп с апертурой не менее 8 м[2].

В таблице представлено количество ближайших звёзд, для которых будет доступен для наблюдения радиус обитаемой зоны в зависимости от используемых приборов телескопа.

Понимание того, как газ из межгалактической среды попадает в галактики и как галактики реагируют на это лежит в основе понимания эволюции галактик. Изучение процессов попадания газа и его истекания имеет наблюдательный характер. Эти процессы могут быть охарактеризованы путём исследования поглощения ультрафиолетового излучения и спектроскопии эмиссионных линий.

Волны ультрафиолетового диапазона нужны для описания теплого межгалактического газа с незначительным красным смещением. Главная задача телескопа — получить набор данных с необходимым спектральным разрешением. Ультрафиолетовый спектрограф телескопа разрабатывается под выполнение таких наблюдений. Многие другие научные цели требуют аналогичную чувствительность ультрафиолетовой спектроскопии (разрешением R ~20 000—100 000) на длинах волн 110—300 нм. Наибольший риск в способности телескопа осуществить предполагаемые научные цели в ультрафиолетовом диапазоне — это наличие эффективных детекторов ультрафиолетовых волн. Тем не менее, существующие на текущий момент детекторы позволяют достичь предполагаемые научные цели, но наблюдения будут длиться в 4 раза дольше.

Сравнение производительности телескопа Хаббл (жёлтый круг), Джеймса Уэбба (красный) и телескопа ATLAST в двух вариантах

ATLAST сможет реконструировать историю формирования звёзд в сотнях галактик за пределами Местной группы, предоставляя учёным для изучения полный спектр условий формирования звёзд.

Полная и точная теория формирования и эволюции галактик нуждается в точном определении, как и когда галактики формируют их звёздное население и как это формирование меняется в зависимости от окружающей среды. Наиболее подходящий способ сделать это — анализировать звёздное население гигантских галактик с целью реконструкции истории формирования звёзд, определения химической эволюции и кинематики различных их структур. Наиболее полная и точная диагностика их возраста осуществляется путём изучения звёзд-карликов и гигантов, включая определение времени ухода с главной последовательности. Однако после схода с главной последовательности звезда быстро становится слишком слабой для наблюдения существующими телескопами в галактиках за пределами Местной группы. Это сильно ограничивает наши возможности получения информации о деталях формирования галактик, поскольку галактики в Местной группе не являются типичной выборкой популяции галактик в большем масштабе Вселенной. ATLAST будет обладать возможностями наблюдения звёзд за пределами Местной группы. Для сравнения, телескоп Хаббл и телескоп Джеймс Вебб не имеют требуемой точности наблюдения гигантских галактик, кроме Млечного Пути и Андромеды. 8-метровый (9,2-м) космический телескоп ATLAST будет обладать возможностью наблюдения за 140 (160) галактиками, включая 12 (13) гигантских спиральных и ближайшую гигантскую эллиптическую Maffei 1.

Для определения возраста и других свойств галактик необходима фотометрия тысяч звёзд, охватывающих 4 порядка светимости. Такие наблюдения требуют от телескопа поля наблюдения по крайней мере в 4 угловых минуты. ATLAST может работать совместно с 30-метровым наземным телескопом (например, ТМТ — Thirty Meter Telescope), расширяя возможности наблюдения других хорошо-населённых групп галактик путём получения космическим телескопом фотометрии для карликовых звёзд G-класса со звёздной величиной V~35, и получения наземным телескопом данных о более ярких гигантах в Группе Скульптора. Карликовые звёзды в Группе Скульптора практически недоступны для ТМТ.

Карликовые сфероидальные галактики (dSph), тусклейшие из известных типов галактик, являются наиболее подходящими местами для исследования свойств небарионной тёмной материи. Для этого существует несколько причин. Во-первых, основную их массу составляет тёмная материя: путём наблюдений было установлено, что эти галактики имеют отношение масса-светимость в 10—100 раз выше, чем обычная гигантская галактика (например, Млечный Путь или M31). Во-вторых, их относительно много вблизи нас — к настоящему времени найдено 19 таких галактик в Местной группе. И, наконец, обнаружено, что все 19 галактик, охватывающих более чем 4 порядка светимости, окружены гало тёмной материи с одинаковой массой (~10^7) солнечных масс) в их центральной области размером 300 парсек. ATLAST будет измерять движение звёзд в этих галактиках и определять их гравитационные взаимодействия.