Кратко — проект наблюдательной программы и обоснование выбора платформы.

Цель: напрямую сфотографировать землеподобную планету в зоне обитаемости звезды типа Солнца на расстоянии (10\ \text{pc}).

1) Ключевые геометрические и фотометрические требования

Угловое разделение: для орбиты (1\ \text{AU}) на (10\ \text{pc}) угол
[
\theta = \frac{1\ \text{AU}}{10\ \text{pc}} = 0.1''.
]Отношение потоков (контраст): в видимой для Земли/Солнца
[
f \sim 10^{-10},
]
в тепловом ИК ((\sim 10\ \mu\text{m})) порядка
[
f_{\rm IR}\sim 10^{-7}.
]

2) Требования к инструментам и телескопу

Внутренний коронограф (виз./ближ. ИК):
Должен обеспечивать рабочий угол (IWA) не больше (\sim 0.1''). Для коронографа IWA примерно (k\lambda/D) ((k\sim 2\text{–}3)), значит для (\lambda=0.5\ \mu\text{m})
[
D \gtrsim \frac{k\lambda}{\theta} \Rightarrow D \gtrsim 2\text{–}3\ \text{m} \ (\text{на практике: }4\ \text{м+ желательны}).
]Необходим контраст на уровне остаточной засветки (\varepsilon \lesssim 10^{-10}) и стабильность волнового фронта RMS (\lesssim 10\ \text{pm}).Типы: аподизированный/вихревой (vortex)/PIAA/Гибридный Лайот + двух зеркал для коррекции волнового фронта (DM).Звездный щит (starshade) + умеренный телескоп:
Внешний окулятор (диаметр десятки метров, расстояние десятки тыс. км) позволяет достичь IWA (\le 0.1'') и контраста (\sim 10^{-10}) без экстремальной стабильности оптики.Нулевой интерферометр (mid-IR, nulling):
Для (\lambda=10\ \mu\text{m}) требуемый базис
[
B \gtrsim \frac{\lambda}{\theta} \approx 20\ \text{m},
]
база (20\text{–}100\ \text{m}). null depth и охлаждение нужны для снижения фонового излучения.Наземный ЭЛТ + экстремальная АО:
Большая апертура ((D=30\text{–}40\ \text{m})) дает (\lambda/D) малый, но достижимый контраст ближе к (10^{-8}\text{–}10^{-9}) (наилучшее в ближней ИК). Атмосферные остаточные ошибки и полётики ограничивают достижимый контраст в видимой до уровня, недостаточного для (f\sim10^{-10}).

3) Полосы и спектральное разрешение

Необходимые полосы:
Видимая: (0.4\text{–}1.0\ \mu\text{m}) (O2 (\lambda=0.76\ \mu\text{m}), H2O, O3 признаки).Ближняя ИК: (1.0\text{–}2.5\ \mu\text{m}) (H2O, CH4).Тепловой ИК: (5\text{–}20\ \mu\text{m}) (CO2, O3, температурное излучение).Спектральное разрешение:
Поисковая фотометрия/низк. спектр: (R\sim 5\text{–}20) для обнаружения.Основная спектросъёмка для биомаркеров: (R\sim 70\text{–}150) (для O2 A-band нужно (R\gtrsim100\text{–}150) для уверенного разделения линий).Для детальной диагностики — отдельные наблюдения при (R\sim 200) или выше.

4) Продолжительность наблюдений (план)

Фактор оценки: требуемое время растёт как (\propto \varepsilon/f^{2}). При доминировании остаточной засветки SNR оценивается как
[
{\rm SNR}\approx \frac{f N\star}{\sqrt{\varepsilon N\star}} = f\sqrt{\frac{N\star}{\varepsilon}},
]
где (N\star) — число фотонов от звезды в данной полосе за время (t).Практические ориентиры (оценочные порядки):
Обнаружение в широкополосном изображении: порядок (10\text{–}100\ \text{ч}) при (D\sim 4\text{–}8\ \text{м}) и (\varepsilon\sim10^{-10}); для (D\sim 15\ \text{м}) время уменьшается на фактор площади.Спектросъёмка при (R\sim100) для поиска O2/H2O: (10^{1}\text{–}10^{3}\ \text{ч}) (т. е. десятки — сотни часов) в зависимости от диаметра, пропускания и уровня экзозоди.В средне-ИК (нулевой интерферометр) спектросъёмка может занимать (10\text{–}100\ \text{ч}) при благоприятных условиях и интеграции над широкой полосой.Наблюдательная кампания по целевому звёзду:
Поисковая фаза: (1\text{–}2) изображения по (\sim 10\text{–}100\ \text{ч}).Подтверждение/орбитальная фотометрия: (3\text{–}6) визитов в течение (\sim 1) орбитального периода (для 1 AU — около (1\ \text{yr})), т.е. наблюдения распределённые по (0.25\text{–}0.5\ \text{yr}).Фазовая и спектральная характеристика: суммарно (10^{1}\text{–}10^{3}\ \text{ч}) в зависимости от требуемого SNR для конкретных маркеров.

5) Зависимости от фоновых шумов

Зодиакальный и экзозодиальный фон критичны: если екзозоди (\gtrsim) неск. zodi, время интеграции резко растёт.Тепловой фон (для mid-IR) требует криогенной платформы в космосе.

6) Обоснование выбора: наземный AO vs космический (коронограф/интерферометр)

Преимущества наземного ЭЛТ + EAO:
Большая апертура ((D=30\text{–}40\ \text{m})) — высокая собирательная способность и более мелкое (\lambda/D).Может достигать обнаружения тёплых/суперземель в ближней ИК и давать спектры для более крупной планеты.Ограничения наземного решения:
Атмосферные флуктуации, неполнота коррекции и полёски (speckle) ограничивают устойчивый контраст примерно до (10^{-8}\text{–}10^{-9}) (лучшие прогнозы) — недостаточно для прямого изображения Земли в видимой ((f\sim10^{-10})).Атмосфера ограничивает доступный диапазон и стабильность для очень долгих интеграций в видимой.Преимущества космического коронографа / starshade / нулевого интерферометра:
Отсутствие атмосферы — достижима стабильность волнового фронта и контраст (\sim10^{-10}) (коронограф/starshade) в видимой; в mid-IR — низкий фон, nulling-интерферометр позволяет работать при контрасте (\sim10^{-7}).Возможность криогенной системы для mid-IR (снижение фонового шума).Гарантированный доступ к ключевым полосам (UV–midIR) и длительная стабильность для многодневных/недельных интеграций.Вывод по выбору: для задания «прямой снимок землеподобной планеты (Earth twin) на (10\ \text{pc})» единственно надёжная архитектура — космическая: либо крупный космический телескоп ((D\gtrsim4\ \text{m}), предпочительно (8\text{–}15\ \text{m})) с высококлассным внутренним коронографом и точной системой стабилизации волнового фронта (или комбинированный вариант: (\sim4\ \text{m}) + starshade), либо космический nulling-интерферометр в mid-IR с базисом (\gtrsim 20\ \text{m}). Наземные ЭЛТ подходят как дополняющая платформа (поиск более крупных/ярых целей, подтверждение в ИК), но не заменяют космос для визимой детекции и спектроскопии землеподобных.

7) Конкретная рекомендуемая конфигурация (практическая)

Основная опция (рекомендуемая): космический телескоп
Апертуры: (D=8\text{–}15\ \text{m}) (наилучший баланс площадь/IWA/контраст).Инструменты: высококонтрастный внутренний коронограф (vortex/PIAA + двух DM), вспомогательный starshade по миссии (опционально).Полосы: (0.2\text{–}2.5\ \mu\text{m}) + отдельная mid-IR кампания (5\text{–}20\ \mu\text{m}) с нулевым интерфером/крио-инструментом.Спектроскопы: (R\sim70\text{–}150) (базовая) + (R\gtrsim200) для специфических маркеров.Стабильность волнового фронта: RMS (\lesssim 10\ \text{pm}).План времени на одну цель: поиск (10\text{–}100\ \text{ч}), подтверждение/спектры (50\text{–}500\ \text{ч}) распределённые по (\sim 1\text{–}2\ \text{yr}).Альтернативная опция: nulling-интерферометр в космосе (mid-IR)
Базис (20\text{–}100\ \text{m}), cryo-craft, null depth и контроль фаз.Хорош для теплового излучения и определения температуры/CO2/O3; интеграции (10\text{–}100\ \text{ч}).

8) Риски и вспомогательные требования

Необходим малый уровень экзозоди (лучше (\lesssim) неск. zodi).Точная калибровка и длительная стабильность (термическая, механическая).Резерв времени на повторные наблюдения и на мониторинг активности звезды (флеары).

Краткий вывод: для надежного получения изображений и спектров землеподобной планеты на (10\ \text{pc}) требуются космические средства с контрастом (\sim10^{-10}) (коронограф/starshade на телескопе (D\gtrsim4\ \text{m}), предпочтительно (8\text{–}15\ \text{m})) или космический нулевой интерферометр в mid-IR (база (\gtrsim20\ \text{m})). Наземный ЭЛТ с AO полезен, но сам по себе в видимой для Earth-twin недостаточен из‑за ограничений по контрасту.