Microcamtest

Лайфстайл портал

Запуск «Джеймса Уэбба» прошёл успешно

Рождественский подарок

Запуска нового орбитального инфракрасного телескопа астрономы ждали 25 лет. По диаметру зеркала — 6,5 м — «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST) намного превосходит своего предшественника. Знаменитый «Хаббл» стал эпохой в астрономии, но ученые уже вскоре после его запуска в 1990 году задумались о следующем, еще более совершенном инструменте. В 1996-м эксперты решили, что новый орбитальный телескоп должен иметь зеркало диаметром более 4 м (у «Хаббла» 2,4 м) и работать в инфракрасном диапазоне.

Почему именно в инфракрасном? Во-первых, многие космические объекты (например, кометы, астероиды и планеты) не испускают собственного света, но излучают инфракрасные (ИК) волны. Во-вторых, это излучение легче проходит сквозь облака газа и пыли. В-третьих, свет самых далеких галактик превратился в ИК-волны из-за расширения Вселенной. 

Наконец, в 1990-х годах в телескопостроении началась эра адаптивной оптики, устраняющей размытие изображений атмосферой Земли. Из-за этого выводить в космос крупные оптические телескопы стало невыгодно: на поверхности планеты можно за меньшие деньги соорудить куда более впечатляющий инструмент. Например, стоимость строящегося в Чили телескопа ELT с 39-метровым зеркалом оценивается в €1,3 млрд — чуть ли не вдесятеро меньше, чем у «Уэбба». А вот в инфракрасных лучах с Земли наблюдать трудно, атмосфера сильно поглощает их. Так что, если уж тратить время и средства на создание орбитального инструмента, то лучше инфракрасного, чем оптического.

Материал по теме

Кстати, о деньгах и сроках. Изначально JWST планировали запустить в 2007 году, потратив $500 млн. В действительности изготовление деталей телескопа стартовало только в 2004-м, а в 2013 году начался продолжительный этап сборки и испытаний. Вклад NASA в проект составил $9,7 млрд, из которых $861 млн выделено на первые пять лет наблюдений, а остальные траты пришлись на разработку, изготовление и тестирование аппарата. Европейское и Канадское космические агентства, разработавшие важные системы «Уэбба», потратили €700 млн и 200 млн канадских долларов соответственно.

Срыв сроков и многократное превышение смет неудивительны, когда речь идет об инструменте такого класса. «Уэбб» — настоящее чудо техники, и многие использованные технологии были созданы специально для него.

Так, по диаметру зеркала инструмент далеко превосходит все оптические или инфракрасные телескопы, когда-либо выводившиеся на орбиту. Конечно, были радиотелескопы с большими зеркалами, но сравнивать их некорректно: в радиодиапазоне радикально ниже требования к качеству зеркала. Чтобы уложиться в ограничения по массе, инженеры сделали зеркало JWST в десять раз легче на единицу площади, чем у «Хаббла». Мало того, эту 6,5-метровую махину пришлось делать складной, иначе габариты аппарата вышли бы за допустимые при запуске пределы. Восемнадцатью сегментами зеркала управляют 132 микромотора, выставляющие их в нужное положение с микронной точностью. Кстати, чтобы зеркало не испускало собственных инфракрасных лучей, оно будет работать при температуре ниже -223 °C. Поскольку изготавливали его при комнатной температуре, детали пришлось делать «неправильными», чтобы они встали на свои места, когда деформируются от холода. И, между прочим, подсолнечная сторона космического аппарата будет нагреваться до +110 °C, так что создателям телескопа пришлось изрядно потрудиться над теплозащитным экраном (тоже складным). Он ослабляет поток солнечного тепла в миллион раз.

Материал по теме

Видео

«Джеймс Уэбб» правда откроет внеземную жизнь?

Если в радиусе 15 световых лет от Земли есть планета, на которой живут хотя бы микробы — новый телескоп наверняка заметит их наличие. «Уэбб» станет самым мощным инструментом мировой науки в поиске биосигнатур — сложных органических веществ, которые не могут образоваться на планете без участия живых организмов, пусть даже примитивных.

Особенно интересны в этом плане Европа (спутник Юпитера) и Энцелад (спутник Сатурна). Там под многокилометровым льдом скрываются океаны жидкой воды с простейшими органическими веществами вроде метана и ацетилена. JWST сможет точно определить химический состав этих океанов и установить вероятность наличия жизни в них. Проверить данные «Уэбба» можно будет за пять-семь лет, отправив туда исследовательские зонды.

Образование простой органики в гейзерах на дне подлёдного океана на Энцеладе, которую обнаружил аппарат «Кассини» Иллюстрация NASA

Выравнивание зеркал

Через десять дней после запуска, если всё пройдёт хорошо, «Джеймс Уэбб» развернёт маленькое вторичное зеркало лицом к гигантскому основному зеркалу, которое на тот момент ещё будет сложено. Спустя ещё два дня основное зеркало начнёт поворачивать две шарнирные секции в нужное положение, чтобы создать полное зеркало шириной 6,5 метра. В этот момент 18 шестиугольных сегментов зеркала, изготовленных из бериллия и покрытых золотом, будут напоминать пчелиные соты и, как выразился Хаммел, «Джеймс Уэбб» станет настоящим телескопом, поскольку сможет улавливать свет.

Ещё примерно через две недели телескоп должен достичь точки назначения — L2. Она находится слишком далеко от Земли, чтобы астронавты могли прилететь и вручную починить обсерваторию, если что-то пойдёт не так. Подобный случай был после запуска «Хаббла» с дефектной оптикой. Астронавты, в том числе сам Грансфельд, в общей сложности летали к нему пять раз, чтобы модернизировать научные приборы и сохранить за «Хабблом» статус телескопа мирового класса. Если солнцезащитный щит и зеркала установятся правильно, худшее для «Джеймса Уэбба» будет позади. С этого момента останется только выровнять зеркала и откалибровать приборы. Это сложные шаги, но специалисты уже выполняли их в операциях на зеркалах наземных телескопов.

Одна из причин, по которой для начала работы «Джеймсу Уэббу» потребуется полгода, заключается в том, что телескопу необходимо остыть до рабочей температуры. Только спустя четыре месяца после запуска сегменты первичного зеркала будут достаточно охлаждены и выровнены, чтобы принять верную форму. После инженеры миссии займутся калибровкой приборов.

Одному из четырёх инструментов телескопа, который будет работать в средней инфракрасной области спектра, потребуется отдельный охладитель, чтобы достичь температуры -266 ºC — всего на 7 ºC выше абсолютного нуля. Как только он достигнет этой температуры, «Джеймс Уэбб» станет в сотню раз чувствительнее, чем «Хаббл».

Почему «Уэбба» так долго делали?

Астрономы задумали создать этот телескоп ещё в 1996 году, а запустить планировали в 2007-2011 годах. В то время учёные открывали первые экзопланеты (планеты у других звёзд, вне Солнечной системы), так что им нужен был мощный инфракрасный телескоп, чтобы найти как можно больше экзопланет.

Особенно интересны экзопланеты, где средняя температура примерно равна земной: 14 °C. Землеподобные планеты с такой температурой могут быть удобным местом для появления жизни или будущей колонизации. Но «Хабблу» и другим телескопам было трудно их находить и изучать, особенно на фоне пылающих рядом звёзд. Новый телескоп запланировали таким чувствительным, чтобы он мог находить двойников Земли в радиусе 15 световых лет и даже определять их химический состав.

Однако реализация планов затянулась и превратилась в рекордный долгострой NASA с небывалым бюджетом. Поначалу JWST оценивали в 500 миллионов долларов, но с годами его стоимость увеличилась в 20 раз — примерно до 10 миллиардов. Собрать телескоп удалось только в конце августа 2019 года. После чего начались проблемы с запуском — его десять раз переносили по разным причинам вплоть до 25 декабря 2021 года.

Власти США хотели даже отменить «Уэбба» из-за его непомерной дороговизны, которая «пожирала» бюджет других астрономических программ. Проектом очень плохо управляли, подрядчики постоянно недооценивали сложность уникального оборудования, из-за чего срывали сроки и бюджеты. Инженеры-сборщики несколько раз по недосмотру ломали и портили компоненты телескопа, забывали затянуть винты и гайки.

Темные тайны и первый свет

Ради чего были предприняты эти титанические усилия? Прежде всего, «Уэбб» позволит нам заглянуть во времена образования первых звезд и галактик. Все крупные галактики, в том числе и наша, более или менее ровесники Вселенной. Но за почти 14 млрд лет, прошедших после Большого взрыва, их облик изменился до неузнаваемости. Чтобы заглянуть в прошлое, нужно наблюдать самые далекие «звездные острова», лучи которых добирались до Земли более 13 млрд лет. Мы увидим их в момент, когда они начали испускать свет — новорожденными. Правда, из-за расширения Вселенной этот свет превратился в инфракрасные волны, и это как раз работа для «Уэбба».

Благодаря большому зеркалу и новейшим приемникам излучения JWST обладает беспрецедентной для инфракрасных телескопов способностью различать тусклые объекты и тонкие детали изображения. Поэтому мы можем буквально увидеть рождение галактик и впервые в истории уловить свет первого, давно погасшего поколения звезд. Возможно, удастся разглядеть и зарождение сверхмассивных черных дыр, тайна происхождения которых давно будоражит ученых.

Впрочем, загадок хватает и в более близких уголках космоса. Самые волнующие — природа темной материи и темной энергии. Детальные портреты многочисленных галактик и карты их распределения, составленные «Уэббом», должны пролить новый свет на эти темные тайны, а заодно на эволюцию галактик и Вселенной как целого.

Материал по теме

А еще JWST заглянет в «родильные дома» звезд. Светила образуются в плотных облаках газа и пыли, почти непроницаемых для света. Поэтому детали этого процесса скрыты от глаз астрономов в буквальном смысле. Инфракрасное зрение «Уэбба» преодолеет эту завесу и покажет нам, как рождаются звезды.

А еще новый телескоп будет пристально изучать экзопланеты, как новорожденные, так и вполне зрелые. С его помощью астрономы будут определять температуру поверхности планет и искать биомаркеры — атмосферные газы, предположительно сопутствующие жизни.

Есть у «Уэбба» дела и в окрестностях Солнца. Здесь его епархией станут планеты, спутники, кометы, астероиды и холодные ледяные тела за орбитой Нептуна. Наблюдать последние крайне трудно, и беспрецедентная чувствительность JWST должна помочь составить первые сколько-нибудь подробные карты окраин Солнечной системы. Не исключено, что благодаря «Уэббу» будет обнаружена гипотетическая девятая планета.

Однако все волнующие открытия еще впереди. Сейчас телескопу предстоит перелет во вторую точку Лагранжа в 1,5 млн км от Земли, откуда он и будет наблюдать Вселенную. Такая орбита удобна тем, что в объектив чувствительного инструмента никогда не попадут ни Солнце, ни Луна. Затем космической обсерватории нужно будет проверить и настроить оборудование. Ожидается, что «Уэбб» приступит к наблюдениям через полгода после запуска.

Теги