Уже завтра должен состояться запуск самого большого из когда-либо существовавших космических телескопов. Преемник Hubble Space Telescope, James Webb Space Telescope позволит буквально заглянуть в прошлое, наблюдая звезды и галактики, существовавшие в период 400 тысяч — 400 миллионов лет после Большого взрыва. Заметим, что на сегодняшний день возраст Вселенной, считая с момента Большого взрыва, составляет около 13,7 миллиарда лет! Последний материал цикла «Взгляд в темноту» мы посвятим рассказу о том, как создавался James Webb и какие надежды на него возлагают ученые.
Разработка «телескопа будущего»
Еще до запуска Hubble Space Telescope в 1990 году NASA стало задумываться о том, каким будет следующий шаг. Проект телескопа следующего поколения — Next Generation Space Telescope (NGST) — начали разрабатывать уже в 1996 году. Задача новой миссии состояла в наблюдении космического пространства в инфракрасном свете. Такой диапазон длин волн позволяет улавливать тепловое излучение объектов, недоступное для невооруженного глаза. Если сравнить ширину инфракрасного диапазона телескопов James Webb и Hubble, окажется, что первый из них улавливает спектр, в 16 раз превышающий возможности второго.
Логотип миссии James Webb Space Telescope. NASA
Итак, в течение последующих нескольких лет после предложения проекта NASA решало финансовые и организационные вопросы миссии. К 2002 году были утверждены команды, которые станут создавать конструкцию телескопа. Тогда же аппарат был официально переименован в James Webb Space Telescope — в память о руководителе NASA, разработавшем программу Apollo. Строительство телескопа имени второго директора NASA Джеймса Уэбба началось только в 2004 году, тогда как первая официальная дата запуска была назначена уже на 2007 год.
Джеймс Эдвин Уэбб, директор NASA в 1961–1968 гг. NASA
В дальнейшем запуск неоднократно переносился. При этом стоимость проекта с каждым годом увеличивалась. Например, в 2011 году стало известно, что бюджет превышает изначальные расчеты по меньшей мере в четыре раза. Это даже поставило под угрозу продолжение миссии, однако строительство удалось возобновить. На сегодняшний день бюджет James Webb Space Telescope оценивается в более чем десять миллиардов долларов.
Почему инфракрасный?
James Webb — не первый и не единственный инфракрасный телескоп. Об одном из его предшественников — телескопе Spitzer — мы рассказывали в предыдущих выпусках «Взгляда в темноту». Чем же привлекателен для астрономов этот диапазон волн?
Во-первых, некоторые космические объекты в нем наблюдаются лучше, чем в видимом диапазоне. Например, планеты сами не излучают видимый свет — они способны только его отражать. При этом, поскольку их температура в любом случае превышает абсолютный нуль (–273 °C), они излучают более длинные инфракрасные волны, которые мы воспринимаем как тепло.
Собранное зеркало JWST. NASA
Во-вторых, инфракрасный свет лучше, чем видимый, проникает через частицы пыли. Поэтому в таком диапазоне можно наблюдать за космическими объектами, окруженными, например, пылевым облаком или туманностью. И наконец, длинноволновой диапазон хранит ключи к разгадке многих тайн ранней Вселенной. Поэтому наблюдение за ним поможет понять эволюцию галактик, определить, как выглядели первые звезды, а также пролить свет на вопросы темной материи и темной энергии.
«Золотой глаз» телескопа
Первое, что привлекает внимание при взгляде на James Webb Space Telescope — это огромное золотое зеркало, диаметр которого достигает 6,5 метра. Оно станет крупнейшим зеркалом, выведенным в космическое пространство. И в данном случае размер имеет значение: чем больше зеркало, тем больше света оно сможет собрать и, соответственно, тем более тусклые и удаленные объекты исследовать. Но с другой стороны, такой размер вызывает целый ряд сложностей с выводом телескопа на орбиту. В собранном состоянии зеркало просто не удастся разместить на ракете-носителе.
Сравнение зеркал Hubble и James Webb. Wikimedia Commons
Эту проблему решили, сделав своего рода телескоп-оригами. Зеркало сконструировали не цельным, а состоящим из 18 шестиугольных сегментов, которые будут развернуты уже в космосе. В целом конструкция идентична пчелиным сотам, и в таком виде она была разработана совсем не случайно. Шестиугольники обладают высоким коэффициентом заполнения пространства, благодаря чему соединяются между собой без каких-либо зазоров. Общая форма зеркала при этом близка к кругу, и это позволяет максимально эффективно фокусировать свет.
Чертеж JWST. NASA
Золотое на первый взгляд зеркало James Webb выполнено из другого материала — из бериллия. Его эксперты выбрали по нескольким причинам, одна из которых — устойчивость к криогенным температурам, вплоть до -220 °С. И только тонкая пленка на поверхности состоит из золота. Такое покрытие обеспечивает очень высокую отражательную способность — около 98% — в широком диапазоне длин волн, что позволяет улавливать максимальное количество частиц света.
Оснащение телескопа
James Webb Space Telescope, несущий зеркало диаметром 6,5 метра, сам по размеру сопоставим с теннисным кортом (21,1х14,6 метра). Такой размер определяется величиной теплозащитного экрана, который будет оберегать зеркало и приборы от перегрева из-за солнечного излучения. Как и «золотой глаз», теплозащитный экран будет компактно сложен до вывода телескопа на орбиту.
Так James Webb будет выглядеть в космосе. NASA
Среди научных инструментов, которыми оснащен James Webb Space Telescope, можно выделить четыре основных. Первый — камера ближнего инфракрасного диапазона, или Near-Infrared Camera (NIRCam), — играет роль главного прибора, формирующего изображение. Ее детекторы позволят улавливать свет от самых ранних звезд и галактик и исследовать процесс их формирования. Кроме того, камера будет создавать карты темной материи, анализируя гравитационные линзы — искажения световых лучей, испускаемых космическими объектами из-за близкого расположения к ним массивных объектов (звезд, галактик, а также темной материи). Прибор будет необходим телескопу еще и для поиска экзопланет, поскольку позволит делать снимки не излучающих свет объектов на фоне ярких звезд.
Модель NIRCam. NASA
Второй прибор на борту телескопа James Webb — это спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, или Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), — будет анализировать спектр излучения звезд и по нему определять их массу, температуру и химический состав. Сбор данных потребует очень продолжительного времени: телескоп должен будет принимать световые лучи от дальних звезд в течение сотен часов. Поэтому, чтобы успеть изучить за планируемые пять лет работы на орбите тысячи галактик, спектрограф был разработан так, чтобы наблюдать за сотней объектов одновременно.
Модель NIRSpec. Wikimedia Commons
Единственный прибор для работы в среднем инфракрасном диапазоне — Mid-Infrared Instrument (MIRI) — позволит изучать холодные космические объекты, например околозвездные диски из пыли и обломков, а также самые далекие галактики, свет от которых до нас практически не доходит.
Модель MIRI. Wikimedia Commons
Еще один прибор — датчик точного наведения Fine Guidance Sensors (FGS) — будет выполнять функцию гида, наводя бесщелевой спектрограф (NIRISS) строго на объект. Совместная работа этих приборов обеспечит первоначальную настройку и позиционирование телескопа, а затем поможет получить высококачественные изображения экзопланет.
Запуск и подготовка к работе
NASA запустит James Webb Space Telescope в космос с помощью ракеты-носителя Ariane-5. При этом телескоп будет находиться не на земной орбите, как, например, Hubble, а намного дальше — в полутора миллионах километров.
Размещение JWST внутри ракеты Ariane-5. Arianespace/ESA/NASA
Зачем так далеко? Именно здесь находится так называемая вторая точка Лагранжа (L2), в которой телескоп будет постоянно находиться на одной линии с Землей, когда она вращается вокруг Солнца. В таком положении теплозащитный экран James Webb позволит одновременно защитить телескоп от света и тепла Солнца и Земли. Это крайне важно, поскольку никакое постороннее излучение, тем более близкое, не должно мешать наблюдению за очень далекими (а потому неяркими) космическими объектами. Другое преимущество точки Лагранжа состоит в том, что она значительно облегчит сообщение с телескопом, ведь James Webb будет все время находиться в строго определенном положении относительно Земли.
Расположение точки Лагранжа L2 относительно Земли и Солнца. NASA/ESA
Чтобы добраться до своей орбиты, телескопу понадобится примерно месяц. Еще полгода все системы будут готовиться к работе. В первую очередь будет развернуто шестиметровое зеркало и теплозащитный экран. Под защитой экрана приборы начнут остывать до рабочей температуры. Затем всю оптику будут тестировать и калибровать. И только после этого James Webb Space Telescope приступит к исследованиям.
Задачи миссии
James Webb Space Telescope проведет на орбите по меньшей мере пять лет, за которые он должен будет разрешить порядка трехсот исследовательских задач. Наиболее важные из них относятся к обнаружению первых сформированных после Большого взрыва звезд и галактик. Это будут очень далекие от Земли объекты, которые позволят ученым совершить путешествие во времени и разобраться с эволюцией Вселенной.
Другое направление астрофизики, которым займется James Webb, досталось ему в наследство от телескопа Kepler. Это экзопланетология. С помощью Kepler астрономы открыли более 2,5 тысячи экзопланет, но для большинства из них до сих пор неизвестны физические характеристики: тип планеты, ее плотность и масса, а также наличие атмосферы. Задача James Webb — заполнить эти пробелы. Кроме того, James Webb Space Telescope будет наблюдать за рождением новых планет из протопланетных дисков. Такие диски представляют собой скопления плотного газа, вращающиеся вокруг недавно сформированной звезды.
Однако не только дальний космос входит в сферу интересов телескопа. Его инфракрасные инструменты будут использоваться также для исследования спутника Юпитера Европы и спутника Сатурна Энцелада. На них ученые планируют искать вещества, которые могли бы свидетельствовать о наличии жизни. Среди них вода, метан, метанол и этан.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
