В 2021 году произошло эпохальное событие, которого с нетерпением ждали астрономы со всего мира, — запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб». Без какого-либо преувеличения можно сказать о том, что после его введения в эксплуатацию открылась новая эпоха в исследовании Вселенной, ее фундаментальных законов и тайн мироздания. Благодаря внушительному техническому оснащению «Джеймс Уэбб» способен получать изображения астрономических объектов, которые оказывались чересчур удаленными или тусклыми для его легендарного предшественника «Хаббла». В этой статье мы разберем главные особенности телескопа «Джеймс Уэбб», вспомним этапы миссии и поговорим об уже сделанных и потенциальных будущих открытиях.
Описание телескопа «Джеймс Уэбб»
«Джеймс Уэбб» — это космический телескоп, названный в честь руководителя NASA, возглавлявшего агентство во время реализации программы «Аполлон» и внесшего немалый вклад в организацию первых пилотируемых полетов на Луну.
Совместный проект NASA, Европейского и Канадского космических агентств по созданию телескопа разрабатывали 20 лет, с 1996 по 2016 годы. После этого еще 5 лет, с учетом вынужденного перерыва во время пандемии, понадобилось для тестирования всех систем и решения технических проблем.
Телескоп представляет собой самую настоящую орбитальную обсерваторию, предназначенную для изучения Вселенной в инфракрасной и, частично, видимой части спектра. Главным достоинством «Джеймса Уэбба» является составное зеркало, которое обеспечивает впечатляющую площадь сбора электромагнитного излучения. Основу конструкции телескопа составляет солнцезащитный экран, который по своему размеру сопоставим с теннисным кортом. Он функционирует как пассивная система терморегуляции — постоянно держит технический инструментарий в тени и не позволяет ему нагреваться выше рабочих температур.
Характеристики телескопа
Общая масса телескопа «Джеймс Уэбб» составляет 6,1 тонны. Благодаря многократной доработке конструкции и использованию легких, но прочных материалов инженерам удалось добиться примерно вдвое меньшей массы, чем у «Хаббла», который весит 12,5 тонны. Солнцезащитный экран состоит из пяти слоев полиамидных мембран толщиной с человеческий волос, каждая из которых покрыта светоотражающим алюминием. Внешние слои имеют дополнительное покрытие из монокристаллического кремния, что одновременно повышает прочность конструкции и ее теплозащитные свойства. Экран позволяет оптике и приборам охлаждаться до -233 °C, что всего на 40 °C превышает значение абсолютного нуля.
Главное зеркало телескопа «Джеймс Уэбб» состоит из 18 шестиугольных сегментов, сделанных из бериллия, покрытого золотом. Выбор материалов обусловлен тем, что бериллий является одним из самых легких металлов с достаточно высокой плотностью, а золото превосходно отражает самые разные виды излучения, в том числе и в длинноволновом инфракрасном спектре. Длина каждого сегмента зеркала составляет 1,32 метра, а вместе они выстроены в конструкцию с общим диаметр 6,5 метра. Таким образом, главное зеркало «Джеймса Уэбба» имеет площадь сбора света 25 м2 — в 6 раз больше, чему у «Хаббла».
Еще одним важным элементом оптической системы «Джеймса Уэбба» является вторичное 74-сантиметровое зеркало, закрепленное на штативах на отдалении 8 метров и строго напротив главного. Его задача — концентрировать собранное излучение в центральное отверстие, в котором находится третье зеркало. И уже после отражения третьим зеркалом полученные изображения обрабатывают технические приборы телескопа.
Инструменты и оборудование на борту
В каркасе телескопа «Джеймс Уэбб», позади всех зеркал, оборудован интегрированный модуль научных инструментов ISIM. Этот модуль можно назвать сердцем телескопа, так как он отвечает за преобразование пучков электромагнитного излучения в научные данные, а затем отправляет их в командные центры на Земле. Давайте кратко рассмотрим научное оборудование, представленное на борту.
- Камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam). Выделяет отраженные волны в диапазоне от 0,6 до 5 микрометров и формирует из них первичное изображение. Именно благодаря NIRCam все 18 сегментов главного зеркала работают как единое целое. Камера оснащена прибором, анализирующим корону далеких и тусклых звезд, что позволяет обнаруживать и изучать экзопланеты в их системах.
- Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec). Представляет собой прибор, предназначенный для разделения инфракрасных лучей на линии спектра. Эти данные позволяют понять химический состав далеких объектов, их скорость, направление движения и расстояние относительно телескопа. NIRSpec способен одновременно анализировать показатели до 100 галактик, звезд или экзопланет.
- Инструмент среднего инфракрасного диапазона (MIRI). Объединяет в себе функционал камеры и спектрографа, изучая волны длиной от 5 до 28 микрометров, которые не воспринимают NIRCam и NIRSpec. Это наиболее чувствительный прибор телескопа, с помощью которого можно «заглянуть» за плотные газопылевые облака вокруг ядер галактик, попутно изучив и сами эти облака. На MIRI возлагают большие надежды в открытии тусклых объектов на окраинах Солнечной системы.
- Датчик точного наведения (FGS). Этот и следующий инструменты физически объединены в одной конструкции, однако выполняют разные функции. FGS не только наводит телескоп на заданные цели, но и позволяет фокусироваться на них в течение длительного времени, так как выдержка в отдельных случаях может превышать сотню часов. Прибор чрезвычайно точно корректирует положение телескопа в пространстве. Лучше понять точность этого процесса помогает сравнение с попаданием лазерной указкой в копеечную монету с расстояния в километр.
- Устройство формирования изображения и бесщелевой спектрограф (NIRISS). Еще одно устройство, совмещающее функции камеры и спектрографа, работает в тесной связке с системой наведения. Главной особенностью NIRISS является специальный режим маскировки, при котором повышается контрастность изображения и блокируется значительная часть фонового света от звезд, что особенно полезно при изучении далеких экзопланет.
Особенности конструкции и технические достижения
Специалисты, которые работали над проектом телескопа «Джеймс Уэбб», уделили особое внимание его безопасности. Например, инструмент MIRI очень требователен к поддержанию низкой температуры, поэтому для него была сконструирована отдельная криогенная система охлаждения. Она расположена на «горячей» стороне телескопа и работает автономно. Циркулирующий по трубкам газообразный гелий непрерывно отводит тепло, защищая чувствительные датчики от нештатных ситуаций.
Кроме того, стоит отметить уникальную систему механизмов, разработанных для главного зеркала телескопа. Даже малейшие отклонения в расположении его сегментов могут привести к искажению полученных данных. Поэтому оптика «Джеймса Уэбба» оснащена 132 приводами (по 6 на каждый сегмент и 24 на вторичном и третьем зеркалах), которые на основе сложных алгоритмов осуществляют подгонку зеркала с точностью до 10 нанометров. Это настолько маленькое значение, что оно сопоставимо с диаметром молекулы белка, а длины волн видимого света превышают его в десятки раз.
Цели и задачи проекта
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» часто называют преемником «Хаббла», однако это утверждение верно лишь с некоторыми оговорками. Дело в том, что «Хаббл» работает в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, в то время как «Джеймс Уэбб» воспринимает как ближнее, так и среднее инфракрасное излучения.
Так как сейчас оба телескопа функционируют на орбите, они органично дополняют друг друга и помогают ученым получать больше информации об одних и тех же астрономических объектах.
Еще во время подготовки к запуску руководители проекта сформулировали четыре главные цели, которые можно реализовать с помощью телескопа «Джеймс Уэбб».
- Обнаружение и изучение первых звезд и галактик, сформированных вскоре после Большого взрыва.
- Углубление понимания принципов формирования и эволюции галактик, а также основных факторов, влияющих на эти процессы.
- Расширение понимания процессов образования звезд и планет (сегодня у астрофизиков нет общепринятых теоретических моделей);
- Более глубокое изучение Солнечной системы и других планетарных систем, с целью разгадать тайну происхождения жизни.
Исходя из поставленных целей, посредством работы телескопа «Джеймс Уэбб» решаются следующие задачи:
- наблюдение Вселенной в широком инфракрасном диапазоне;
- открытие новых астрономических объектов;
- обнаружение структур, скрытых за пылевыми облаками;
- сравнение старых и молодых галактик;
- анализ протопланетных дисков;
- поиск следов жизнедеятельности на планетах и экзопланетах.
Запуск и миссия телескопа «Джеймс Уэбб»
Разговоры о создании космического телескопа нового поколения начались еще до запуска «Хаббла». В 1989 году был организован большой семинар, в котором приняли участие 130 ведущих инженеров и астрономов из NASA и Института космических телескопов. Первыми рабочими вариантами были инфракрасные телескопы с 10-метровым зеркалом на околоземной орбите или с 16-метровым зеркалом на Луне, однако из-за колоссальной стоимости и сложности реализации от них пришлось отказаться.
После пересмотра многочисленных концепций в 1996 году комитет в составе 18 астрономов предложил NASA проект орбитальной обсерватории с зеркалом диаметром 8 метров. Эту идею взяли в работу и приступили к детальным расчетам технических и финансовых аспектов. Рабочим названием было «Next generation space telescope» — «Космический телескоп нового поколения».
В 2002 году проект утвердили, но с уменьшением диаметра зеркала до 6 метров, а телескоп решили назвать в честь Джеймса Уэбба, тем самым отметив его вклад в организацию первых пилотируемых полетов на Луну. Однако и это название оценили далеко не все ученые — 1 200 специалистов подписали петицию с требованием переименовать телескоп. Многие ученые в своих работах до сих пор используют только аббревиатуру JWST, которую расшифровывают как «Just Wonderful Space Telescope» — «Просто Замечательный Космический телескоп». Официальным же названием телескопа является «James Webb Space Telescope».
Сложности проекту добавляло то, что телескоп решили разместить на орбите высотой 250 000 – 800 000 километров. Такой выбор местоположения был обусловлен близостью к точке Лагранжа L2, где гравитационные воздействия Земли и Солнца уравновешиваются. Двигаясь по петлеобразной траектории вокруг L2, телескоп всегда оставляет Солнце, Землю и Луну «позади» своего защитного экрана. В отличие от «Хаббла», который находится на 545-километровой орбите, к «Джеймсу Уэббу» не получится отправить астронавтов для проведения ремонта, технического обслуживания и дозаправки топливом, которое необходимо аппарату для торможения перед выходом на орбиту и корректировки своего положения на ней.
Производство отдельных компонентов телескопа продолжалось с 2004 по 2016 годы. В рабочем виде «Джеймс Уэбб» не поместился бы ни в одну ракету, поэтому его решили сделать складным с функцией последующего развертывания в космосе. Каждый механизм тестировали тысячи раз и подвергали воздействию экстремальных условий, прежде чем все системы были признаны работоспособными. Для запуска была выбрана тяжелая ракета-носитель «Ариан-5», разработанная космическим подразделением группы компаний «Airbus».
Дата запуска и путь к точке Лагранжа L2
25 декабря 2021 года ракета «Ариан-5», укомплектованная телескопом «Джеймс Уэбб», стартовала с космодрома Куру во Французской Гвиане (Южная Америка). Почти сразу после запуска с системами телескопа удалось наладить стабильную связь, и через полчаса на высоте 120 километров он отделился от ракеты, автоматически развернул солнечные батареи и коммуникационные антенны и отправился в самостоятельное путешествие. Развертывание солнцезащитного экрана и зеркал продолжалось в течение 13 дней после запуска под строгим контролем технических специалистов.
Первые шаги после развертывания: калибровка инструментов, тестирование систем
Все системы телескопа «Джеймс Уэбб» были развернуты еще во время полета к точке назначения, что позволило заблаговременно начать их калибровку. И хотя оптическая система настраивалась посредством 132 приводов, даже 2 из них не могли работать одновременно из-за высокой сложности процесса и риска повышенного тепловыделения. Скорость калибровки составляла менее 1 миллиметра в день — в общей сложности перемещения непрерывно продолжались в течение 10 суток. На каждом этапе NIRCam делала порядка 1 500 снимков. Лишь после того, как каждый сегмент достиг оптимальной фокусировки и все 18 изображений были успешно наложены друг на друга, калибровка была завершена.
24 января 2022 года космический телескоп «Джеймс Уэбб» успешно вышел на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 в системе Солнце – Земля. Перед полноценным введением в эксплуатацию было необходимо подождать полгода, чтобы зеркала и оборудование охладились до рабочих температур. В мае 2022 года произошла нештатная ситуация — один из сегментов зеркала поразил микрометеороид размером с пылинку. Из-за высочайшей скорости движения даже мельчайшие частицы обладают кинетической энергией, способной вывести из строя космическую технику. К счастью, «Джеймс Уэбб» не получил значительного ущерба и после небольшой калибровки отдельного сегмента вернулся в рабочее состояние.
11 июля 2022 года телескоп передал на Землю первое полноцветное изображение. Снимок скопления галактик SMACS 0723, удаленного от нас более чем на 4 млрд световых лет, был сделан в ближнем инфракрасном диапазоне и преобразован в цвета видимого спектра. На тот момент это было самое четкое и детализированное изображение далекой области Вселенной, с которого и началась новая эпоха в ее изучении.
Результаты и открытия
С помощью телескопа «Джеймс Уэбб» удалось обнаружить галактики, сформированные спустя 230 – 280 млн лет после Большого взрыва. Ранее ученые считали, что образование столь масштабных структур было невозможно на этом этапе эволюции Вселенной. Согласно расчетам, для охлаждения газа, сжатия и последующего коллапса материи требовалось не менее 500 – 600 млн лет. Поэтому полученные данные стали весомым основанием для пересмотра современных космологических моделей и поиска новых идей.
Работа «Джеймса Уэбба» внесла немалый вклад в изучение Солнечной системы. На детализированных изображениях Юпитера были обнаружены атмосферные явления, напоминающие по своей структуре морские волны. Также космический телескоп смог впервые запечатлеть полярные сияния на Нептуне, существование которых ранее было установлено только по косвенным признакам. Из-за значительного наклона магнитного поля планеты относительно оси вращения сияния не ограничивались полюсами, а распространялись и на средние, и на экваториальные широты.
Отдельного упоминания заслуживает снимок планетарной туманности NGC 1514, в центре которой находятся две гравитационно-связанные умирающие звезды. Инструмент MIRI сформировал невероятно четкий снимок этого объекта, который давно привлекал внимание ученых из-за своей почти симметричной формы, но был плохо изучен из-за слабой отражательной способности и удаленности на 1 500 световых лет от Земли. Анализ спектра показал, что кольца туманности состоят не только из пылевых частиц, но также содержат кислород.
Перспективы дальнейших исследований
Ожидается, что «Джеймс Уэбб» будет работать на нынешней орбите в течение как минимум 20 лет. После этого запасы топлива, необходимого для корректировки положения, будут израсходованы, и телескоп выведут на стабильную орбиту вокруг Солнца. У ученых нет точного понимания, сможет ли он функционировать дальше, поэтому все ключевые исследования должны быть проведены в течение 20-летнего периода. Среди ближайших планов можно отметить:
- подтверждение или опровержение биогенного происхождения молекул диметилсульфида, обнаруженных в атмосфере экзопланеты K2-18b, расположенной в 124 световых годах от Солнца;
- определение этапов формирования самых древних галактик, а также уточнение роли темной материи и черных дыр в их эволюции;
- поиск и изучение «планет-сирот», выброшенных за пределы гравитационного поля своих звезд и блуждающих по Млечному Пути;
- наблюдение за физическими процессами в облаках межзвездного газа и пыли, которые прольют свет на принципы образования звезд и их планетарных систем.
***
«Джеймс Уэбб» продолжит менять представления ученых о космическом пространстве — позволит «заглянуть» в ядра галактик, атмосферы экзопланет и аккреционные диски черных дыр. Еще до конца нынешнего десятилетия планируется запуск нескольких космических телескопов с самым разным функционалом. Однако до начала 2040-х годов «Джеймс Уэбб» останется одним из главных инструментов, помогающих приоткрывать завесу над многочисленными тайнами Вселенной.
Иван Стефанов
Изображение на обложке: NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given
