Космический телескоп Джеймс Уэбб: преемник Хаббла за 10 миллиардов долларов

Люди смотрят на звезды на протяжении тысячелетий, но чуть более 30 лет назад был запущен космический телескоп "Хаббл" благодаря которому мы начали постигать Вселенную.

До запуска в 1990 году проект Хаббл более десяти лет терпел неудачи. Даже после выхода аппарата на орбиту инженерам потребовалось еще три года, чтобы исправить производственную ошибку, в результате которой одно из зеркал оказалось неправильной формы, на одну тысячную долю миллиметра. Этого дефекта оказалось достаточно, чтобы сделать зеркала телескопа фактически бесполезными. Однако длительное ожидание стоило того. С появлением "Хаббла" стали возможны десятки революционных открытий в области астрономии. Кроме того телескоп до сих пор делает уникальные снимки Вселенной. Последняя серия знаменитых снимков "Hubble Deep Field" включает галактики, находящиеся на расстоянии 13 миллиардов световых лет, что является самыми далекими объектами из когда-либо сфотографированных.

Космический телескоп Джеймса Уэбба позволит астрономам заглянуть в раннюю Вселенную. NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given

реклама

 

В ближайшее время NASA планирует запустить так называемого "преемника" Хаббла - космический телескоп имени Джеймса Уэбба. Как и Хаббл, телескоп Уэбба предназначен для проведения сверхточных измерений в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн излучаемых самыми далёкими объектами во Вселенной. 

Уэбб также изучит объекты, находящиеся в нашей Солнечной системе, с целью больше узнать об их происхождении и эволюции. Он будет наблюдать за экзопланетами, впервые предоставив ученым возможность искать биосигнатуры в атмосферах инопланетных миров с помощью трансмиссионной спектроскопии.

В определенном смысле телескопы Хаббл и Уэбб имеют одну и ту же задачу. По заявлению NASA, "научные цели "Уэбба" были мотивированы результатами, полученными с помощью "Хаббла". Понимание этих результатов в сочетании с технологическими инновациями означает, что "Уэбб" - это совершенно другой телескоп. Помимо того, что он больше и намного мощнее, новый аппарат будет занимать другую орбиту и использовать разные типы приборов для обнаружения различных источников излучения. В совокупности эти модификации дают "Уэббу" уникальную возможность - он сможет увидеть галактики, рождающиеся на заре Вселенной. Но есть одна загвоздка: если что-то пойдет не так, никто не сможет помочь.

Вид «Хаббла» с борта космического корабля «Atlantis»

Построить лучшую машину времени

В ночном небе хранится история Вселенной. Это связано с тем, что космос настолько велик, что даже световым волнам - самой быстрой вещи в нашей Вселенной - может потребоваться много времени, чтобы добраться до места назначения. Если объект находится вблизи, наблюдатель на Земле увидит его практически таким, каким он выглядит в данный момент. Наше представление о Луне устаревает менее чем на две секунды. Но когда мы смотрим за пределы Солнечной системы, наш взгляд напоминает капсулу времени. Возьмем, к примеру, Большую Медведицу. Самая близкая звезда (Мегрец - δ UMa)  в этом созвездии соединяет ковш с ручкой. Сейчас мы видим эту звезду такой, какой она была 58 лет назад, в 1963 году. Самая дальняя звезда Дубхе находится на конце ковша, и мы видим ее такой, какой она была 124 года назад, в 1897 году. Самый далекий (и самый старый) объект, видимый невооруженным глазом, - это коллективное сияние триллиона звезд, составляющих галактику Андромеды, ближайшего соседа Млечного Пути. Если бы инопланетянин-астроном, находящийся где-то в этой галактике, вышел сейчас на улицу и с помощью чрезвычайно мощного телескопа посмотрел на Землю, он не увидел бы никаких следов присутствия современных людей (или каких-либо людей вообще, если уж на то пошло). А все потому, что расстояние от галактики Андромеды до Земли составляет около 2,5 миллионов световых лет.

Большая Медведица. Википедия

 

Космос настолько огромен, что некоторые световые волны, которые зародились в самом начале существования Вселенной, до сих пор продолжают своё путь. Самые далекие галактики в "Hubble Ultra Deep Field" показаны так, как они выглядели бы более 13 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной составлял около 800 миллионов лет. Если бы сейчас Вселенной было 40 лет, "Хаббл" мог бы увидеть объекты такими, какими они появились, когда Вселенная была единым целым.

У астрофизиков есть множество различных теорий о том, что произошло за эти 800 миллионов лет после Большого взрыва, но "Хаббл" не может заглянуть так далеко в прошлое и предоставить данные, которые помогли бы разобраться в данном вопросе. Это связано с тем, что "Хаббл" фиксирует излучение  в видимом спектре. Но за многие миллиарды лет путешествия в космосе световые волны удлинились  и перешли на более низкие частоты, в ту часть электромагнитного спектра, которую Хаббл не видит. В чем же причина такого удлинения? "Само пространство-время растягивается", - считают в Университете Айовы. Когда Вселенная становится больше, увеличивается и все, что она содержит - включая пространство между пиками световых волн. Это явление называется космологическим красным смещением, поскольку красный цвет имеет самую большую длину волны в видимом спектре. Хотя люди не могут видеть инфракрасный свет, он воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Измерение этого "растяжения" или потери энергии является одним из основных способов измерения расстояния во Вселенной.

Галактика Андромеды — спиральная галактика, наблюдаемая в созвездии Андромеды. Её радиус составляет около 31 килопарсека, что вдвое больше, чем у нашей Галактики, и она содержит в несколько раз больше звёзд, чем Млечный Путь. Википедия

Больше, мощнее, дальше, холоднее

Конструкция "Уэбба" значительно отличается от конструкции "Хаббла", и эти особенности делают его невероятно мощным. Старший научный сотрудник проекта Джон Мазер так выразился в журнале Astronomy: "Если бы в космосе на расстоянии как от Земли до Луны парил шмель, "Уэбб" мог бы видеть как солнечный свет, который он отражает, так и тепло, которое он излучает". Одним из ключевых отличий является главное зеркало. При диаметре 6,5 метров площадь зеркала "Уэбба" более чем в шесть раз превышает площадь зеркала "Хаббла". Зеркало нового телескопа покрыто золотом, поскольку оно отражает красный свет лучше, чем другие материалы. Оно состоит из 18 гексагонов, расположенных в виде сот,  и может складываться внутри ракеты. Это самое большое зеркало, когда-либо запускаемое в космос, и ни одна ракета, находящаяся в настоящее время в эксплуатации, не имеет достаточного грузового пространства для его транспортировки в полностью развернутом виде.

Как только телескоп окажется в космосе, он примерно в течение трех недель будет медленно разворачивать свой солнцезащитный экран и главное зеркало. Каждый из шестиугольников закреплён на нескольких сервоприводах, которые могут производить чрезвычайно тонкую настройку индивидуального угла и положения. Весь период ввода в эксплуатацию займет около шести месяцев и будет включать развертывание системы, охлаждение до рабочих температур, юстировку зеркала и калибровку приборов.

NIRCam Engineering Test Unit, демонстрирующий некоторые внутренние оптические элементы NIRCam, такие как коллимирующие линзы и зеркала.

 

На телескопе Уэбба установлены четыре прибора, которые анализируют свет, собранный и сфокусированный зеркалом. Три из них регистрируют излучение с длиной волны от 0,6 до 5 микрон в ближайшем инфракрасном спектре. С помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) Уэбб будет формировать изображения. Телескоп оснащён несколькими коронографами, устройствами которые позволяют камере получать изображение тусклых объектов, блокируя свет от ярких  источников. Благодаря физике ближнего инфракрасного диапазона NIRCam сможет ввести наблюдение сквозь некоторые частицы и обнаруживать объекты, которые были скрыты облаками космической пыли. Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона будет анализировать спектр источников, что позволит получить информацию, как о химическом составе изучаемых объектов, так и об их физических характеристиках (например, массе и температуре).  Хотя спектрографы являются далеко не новой технологией, NIRSpec оснащен специально разработанным "матрицей микрозатворов", которая позволяет ему анализировать до 100 объектов одновременно. Бесщелевой спектрограф ближнего инфракрасного диапазона  (NIRISS) - это специализированное устройство, предназначенное для получения особенно четких снимков очень ярких объектов. Он оснащен апертурной решёткой, что дает ему возможность получать изображения ярких объектов с разрешением гораздо большими, чем у других приборов.

Для того чтобы заглянуть глубоко в прошлое Вселенной, новый телескоп будет использовать прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI). MIRI предназначен для получения спектрограмм и изображений в диапазоне длин волн - от 5 до 28 микрон. MIRI будет наблюдать красное смещение света от формирующихся звезд, далекие галактики и объекты, слишком тусклые для наблюдения с помощью других инструментов.

Точка Лагранжа-2 (L2) — будущий центр орбиты телескопа Джеймс Уэбб

По мнению специалистов из Университета Аризоны, первые данные о формировании первых звезд в первых галактиках - "или первый свет" во Вселенной, как они это называют - будут получены в результате исследований с помощью инструмента NIRCam.

Одна из причин, по которой инфракрасный телескоп так необходим, заключается в том, что практически всё во Вселенной излучает инфракрасный свет.  И чтобы работы телескопа не была нарушена теплом от других источников очень важно, чтобы "Уэбб" оставался холодным. Первая линия защиты - это его орбита. Вместо того чтобы кружить вокруг Землю как "Хаббл", "Уэбб" будет вращаться вокруг точки, расположенной на расстоянии около миллиона миль от Земли, держась как можно дальше от Солнца.

Орбита Уэбба проходит по специальной траектории вокруг второй точки Лагранжа, которая удерживает ее на ночной стороне Земли и движется вместе с Землей во время движения вокруг Солнца. Благодаря такой орбите самые крупные источники инфракрасного излучения - Солнце, Земля и Луна - находятся с одной и той же стороны и не попадают в тень Земли и Луны. Эта орбита также позволит "Уэббу" постоянно находиться под солнечными лучами и вырабатывать энергию с помощью солнечных батарей.

Во время путешествия к своей орбите "Уэбб" развернет теплозащитный экран размером с теннисный корт (21,1 на 14,5 метров), предназначенный для защиты "главного зеркала и научных приборов" от солнечного тепла и космического излучения. Пять слоев каптона позволят поддерживать температуру "холодной стороны" телескопа в районе 36 кельвинов (-394 °F, -237° С).

Космический телескоп Джеймса Уэбба - главная космическая обсерватория следующего десятилетия - запланирован к запуску на 24 декабря с европейского космодрома во Французской Гвиане, на северо-восточном побережье Южной Америки. Credits: NASA/Chris Gunn

Скрестим пальцы 

Дальняя гало-орбита "Уэбба" играет важную роль в сборе данных, необходимых для достижения его научных целей, таких как наблюдение за формированием первых звезд и галактик. Но за это приходится платить. Как пишет Марина Корен в The Atlantic, "если что-то пойдет не так, инженеры могут только попытаться исправить ситуацию посылая команды с Земли". (Для справки астронавты пять раз посещали телескоп "Хаббл").

Учитывая 14 лет задержек, "Уэбб" столкнулся с такими же трудностями, как и его предшественник. Его нынешняя дата запуска является результатом недавних проблем, включая "инцидент", который вызвал вибрацию всего аппарата, и "проблему связи между обсерваторией и системой ракеты-носителя".

Если все пойдет по плану, первые шесть месяцев Уэбб будет медленно разворачиваться и остывать. Затем он направит свое золотое сотовое зеркало в космос, подальше от Земли и Солнца, и начнет фиксировать световые волны, которые, помимо прочего, содержат древние данные об истории Вселенной. "Исследователи знают, что они ищут, но они не знают, что они найдут". Несмотря на свои неполадки, "Хаббл" обнаружил много неожиданных находок, в том числе свидетельства наличия неизвестного элемента в древней звезде. Только в прошлом году ученые использовали прибор для изучения одной из самых ранних галактик и не нашли там звезд, которые ожидали увидеть. Эти результаты позволяют предположить, что галактики образовались гораздо раньше, чем считали астрономы.

“Благодаря своему гигантскому зеркалу и самым современным приборам Уэбб  распахнет сундук с сокровищами великолепия инфракрасного неба, невидимого для человеческого глаза", - пишет Мазер в статье "Астрономия". "Мы знаем, где мы будем искать, мы можем предположить, что мы найдем, но возможно нас ждут сюрпризы".