Как будет работать космический телескоп Джеймса Уэбба

Наше знание о Вселенной ограничено рамками наших чувств, но наши умы не знают таких ограничений. Когда свет костра ослепляет нас в лесистой темноте, мы представляем себе всякие страшные перспективы. Но если сделать несколько шагов и оставить костер за спиной, мы видим все более глубоко и четко. Воображение встречается с информацией, а мы внезапно понимаем, с чем имеем дело.

Если бы это всегда было так просто. Чтобы охватить Вселенную и понять космос, необходимо больше, чем пара глаз и удаленность от огней города. Необходимые инструменты, расширяющие наши чувства за пределами наших эволюционных пределов, нашей атмосферы или даже планетарной орбиты. Астрономия и космология ограничены и ущемлены качеством таких инструментов. 400 лет назад первый телескоп внезапно выявил неожиданные луны, планеты и пятна на Солнце, что породило преемственность космических теорий и привело к более совершенным инструментам, выявляющим развевающиеся туманности и собирающим звезды по дороге.

В середине 20 века радиотелескопы показали, что галактики — не статичные капли, а активные и кипучие источники энергии. До космического телескопа Кеплера мы думали, что экзопланеты — редкость во Вселенной; теперь мы подозреваем, что их может быть больше, чем звезд. Два десятилетия на околоземной орбите космический телескоп Хаббл помогал нам прорвать завесу времени, демонстрируя звездные ясли и доказывая, что галактики сталкиваются. Теперь и космический телескоп Джеймса Уэбба готовится стать спиной к солнечному свету, сделать шаг от Земли и позволить нам наблюдать холодные и темные пространства за Луной.

Запуск Уэбба назначен на 2018 год, а его строительством занимались 14 стран. Телескоп должен ответить на некоторые весьма амбициозные вопросы. Когда могучий телескоп будет запущен вместе с ракетой Европейского космического агентства Ariane 5 ECA, это ознаменует новую волну развития наземных и космических инструментов, включая несколько новых обсерваторий на Гавайях и Чили.

Если телескоп переживет свой запуск и путешествие длиной в 1,5 миллиона километров от Земли во вторую точку Лагранжа (L2) ­— одно из пяти мест в системе Земля-Солнце, где гравитация естественным образом будет удерживать космический аппарат на месте — он доставит астрономов ближе к началу времен и покажет проблески достопримечательностей, которые долгое время считались гипотетическими, но которых никто не видел: от рождения галактик до света первых звезд.

Миссия: стоя на плечах гигантов

Миссия Уэбба целиком опирается на работу Больших обсерваторий NASA, четырех замечательных телескопов, чьи инструменты покрывают весь электромагнитный спектр. Четыре накладывающихся друг на друга миссии позволили ученым наблюдать одни и те же астрономические объекты в видимом, гамма-лучевом, рентгеновском и инфракрасном спектрах.

Хаббл, который размером с автобус, видит в первую очередь видимую область спектра и немного ультрафиолетового и инфракрасного. Его программа началась в 1990 году и благодаря дальнейшему обслуживаю продлится достаточно долго, чтобы передать эстафету Уэббу. Названный в честь Эдвина Хаббла, астронома, открывшего множество задач для изучения этим телескопом, он стал одним из самых продуктивных инструментов в научной истории, подарив нам феномены вроде рождения звезды и ее смерти, эволюции галактики и черных дыр (от теории до наблюдаемых фактов).

Вместе с Хабблом в большую четверку входит Комптоновская гамма-лучевая обсерватория (CGRO), Рентгеновская обсерватория «Чандра» и космический телескоп Спитцер.

CGRO, запущенная в 1991 и больше не обслуживаемая, обнаружила высокоэнергетические жестокие явления от 30 килоэлектрон-вольт (кэВ) до 30 гигаэлектрон-вольт (ГэВ), включая энергетические извержения ядер активных галактик.

«Чандра», запущенная в 1999 году и до сих пор остающаяся на плаву, наблюдает за черными дырами, квазарами и высокотемпературными газами в рентгеновском спектре, а также предоставляет важные данные о рождении, росте и конечной судьбе Вселенной.

Спитцер, который оккупировал орбиту прохождения Земли, изучает небо в тепловом инфракрасном (3-180 микрон) диапазоне, наблюдая за рождением звезд, галактическими центрами и холодными тусклыми звездами. Также он ищет те или иные молекулы в космосе.

Уэбб будет вглядываться в ближний и средний инфракрасный спектр, чему поспособствует его положение в точке L2 за луной и солнечные щиты, которые блокируют навязчивый свет Солнца, Земли и Луны, благоприятно влияя на охлаждение аппарата. Ученые надеются увидеть самые первые звезды Вселенной, образование и столкновение юных галактик, рождение звезд в протопланетарных системах — в которых, возможно, содержатся химические компоненты жизни.

Эти первые звезды могут хранить ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически, где и как они формируются, напрямую связано с первыми моделями темной материи — невидимой таинственной субстации, которую обнаруживают по гравитационному воздействию — а их циклы жизни и смерти вызывают обратную связь, повлиявшую на формирование первых галактик. И поскольку сверхмассивные звезды с коротким периодом жизни примерно в 30-300 раз тяжелее нашего Солнца по массе (и в миллионы раз ярче), эти первые звезды могли бы взорваться в виде сверхновых, а после коллапсировать и образовать черные дыры, которые постепенно заняли центры большинства массивных галактик.

Видеть все это — безусловно, подвиг для инструментов, которые мы делали до сих пор. Благодаря новым инструментам, а также космическим аппаратам, мы сможем увидеть еще больше.

Экскурсия по космическому телескопу Джеймса Уэбба

Уэбб выглядит как ромбовидный плот, оснащенный толстой изогнутой мачтой и парусом — если бы его строили гигантские пчелы, питающиеся бериллием. Направленный нижней частью к Солнцу, снизу «плот» состоит из щита — слоев каптона, разделенных щелями. Каждый слой разделен вакуумной щелью для эффективного охлаждения, а вместе они защищают основной отражатель и инструменты.

Каптон — это очень тонкая (представьте человеческий волос) полимерная пленка производства DuPont, которая способна поддерживать стабильные механические свойства в условиях экстремального тепла и вибрации. Если вы захотите, вы сможете вскипятить воду на одной стороне щита и сохранить азот в жидком состоянии на другой. Складывается он тоже довольно хорошо, что важно для запуска.

Судовой «киль» состоит из структуры, которая хранит солнечный щит во время запуска и солнечные батареи для обеспечения питания аппарата. В центре находится короб, который содержит все важные функции поддержки, за счет которых работает Уэбб, включая электроэнергию, управление ориентацией, связь, командование, обработку данных и тепловой контроль. Антенна украшает внешний вид короба и помогает убедиться, что все ориентировано в нужном направлении. На одном из концов теплового щита, перпендикулярно к нему, находится триммер момента, который компенсирует давление, оказываемое фотонами на аппарат.

На космической стороне щита находится «парус», гигантское зеркало Уэбба, часть оптического оснащения и короб с оборудованием. 18 шестиугольных бериллиевых секций развернутся после запуска, чтобы стать одним большим главным зеркалом на 6,5 метра в поперечнике.

Напротив этого зеркала, удерживаемого на месте тремя опорами, находится вторичное зеркало, которое фокусирует свет от главного зеркала в кормовой оптической подсистеме, клиновидной коробке, выступающей из центра основного зеркала. Эта структура отклоняет рассеянный свет и направляет свет от вторичного зеркала к инструментам, размещенным в задней части «мачты», которая также поддерживает сегментированную структуру основного зеркала.

После того как аппарат завершит свой шестимесячный период ввода в эксплуатацию, он проработает 5-10 лет, а может, и больше, в зависимости от расхода топлива, однако его местоположение будет слишком далеко, чтобы его можно было починить. На самом деле, Хаббл и Международная космическая станция являются своего рода исключениями в этом плане. Но, как у Хаббла и других общих обсерваторий, миссией Уэбба будет работа с проектами ученых всего мира, отбираемых на конкурсной основе. Затем результаты будут находить свой путь в исследованиях и данных, доступных в Интернете.

Давайте внимательнее посмотрим на инструменты, которые делают все эти исследования возможными.

Инструменты: за пределами поля зрения

Хотя он и видит что-то в визуальном диапазоне (красного и золотого света), Уэбб является фундаментально большим инфракрасным телескопом.

Его основной тепловизор, камера ближнего инфракрасного спектра NIRCam, видит в диапазоне 0,6-5,0 микрон (ближний инфракрасный). Она сможет обнаружить инфракрасный свет рождения самых первых звезд и галактик, провести обследования близлежащих галактик и местных объектов, снующих через пояс Койпера — просторов ледяных тел, вращающихся за орбитой Нептуна, в которых также умещаются Плутон и другие карликовые планеты.

NIRCam также оснащена коронографом, который позволит камере наблюдать за тонким гало, окружающим яркие звезды, блокируя их ослепительный свет — необходимый инструмент для выявления экзопланет.

Ближний инфракрасный спектрограф NIRSpec работает в том же диапазоне длин волн, что и NIRCam. Как и другие спектрографы, он анализирует физические свойства объектов типа звезд, разделяя излучаемый ими свет на спектры, структура которого меняется в зависимости от температуры, массы и химического состава объекта.

NIRSpec будет изучать тысячи древних галактик с таким слабым излучением, что одному спектрографу понадобятся сотни часов на эту работу. Чтобы упростить эту сложнейшую задачу, спектрограф оснащается замечательным устройством: сеткой из 62 000 отдельных жалюзи, каждое из которых размером примерно 100 на 200 микрон (шириной в несколько человеческих волос) и каждое из которых можно открывать и закрывать, блокируя свет более ярких звезд. Благодаря этому массиву, NIRSpec станет первым космическим спектрографом, который сможет наблюдать за сотней разных объектов одновременно.

Fine Guidance Sensor и бесщелевой спектрограф (FGS-NIRISS) — это, по сути, два сенсора, упакованных вместе. NIRISS включает в себя четыре режима, каждый из которых связан с разной длиной волн. Они варьируются от бесщелевой спектроскопии, которая создает спектр с помощью призмы и решетки под названием «гризма», что в сумме создает интерференционные картины, позволяющие выявить экзопланетарный свет на фоне света звезды.

FGS — это чувствительная и немигающая камера, которая делает навигационные снимки и передает их на системы ориентации, которые удерживают телескоп в правильном направлении.

Последний инструмент Уэбба расширяет ассортимент от ближнего инфракрасного до среднего инфракрасного спектра, что удобно для наблюдения за объектами с красным смещением, а также планетами, кометами, астероидами, нагретой солнцем пыли и протопланетарными дисками. Будучи камерой и спектрографом одновременно, этот инструмент MIRI покрывает широчайший диапазон длин волн, в 5-28 микрон. Его широкополосная камера сможет делать больше видов снимков, за которые мы любим Хаббл.

Также инфракрасные наблюдения имеют важные значения для понимания Вселенной. Пыль и газ могут блокировать видимый свет звезд в звездных яслях, но инфракрасный — нет. Более того, по мере расширения Вселенной и разбегания галактик, их свет «вытягивается» и становится красным смещением, уходя в длинноволновой спектр электромагнитных волн вроде инфракрасного. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и тем большее значение приобретает ее красное смещение — вот в чем ценность телескопа Уэбба.

Инфракрасный спектр также может предоставить большой объем информации об атмосферах экзопланет и о том, содержат ли они молекулярные компоненты, связанные с жизнью. На Земле мы называем водяной пар, метан и диоксид углерода «парниковыми газами», потому что они поглощают тепло. Поскольку эта тенденция справедлива везде, ученые могут использовать Уэбб для обнаружения знакомых веществ в атмосферах далеких миров, наблюдая за моделями поглощения веществ с помощью спектрографов.