Призраки далекого космоса
Однажды кто-то сказал: создателям «Хаббла» нужно поставить памятник в каждом крупном городе Земли. Заслуг у него очень и очень много. Так, например, при помощи этого телескопа астрономы получили снимок очень далекой галактики UDFj-39546284. В январе 2011 года ученые выяснили, что она расположена дальше предыдущего рекордсмена — UDFy-38135539 — примерно на 150 млн световых лет. Галактика UDFj-39546284 удалена от нас на 13,4 млрд световых лет. То есть «Хаббл» увидел звезды, которые существовали более 13 млрд лет назад, через 380 млн лет после Большого взрыва. Этих объектов, вероятно, уже давно нет «в живых»: мы видим лишь свет давно погибших светил и галактик.
Но при всех своих достоинствах, Hubble Space Telescope является технологией прошлого тысячелетия: его запустили в 1990 году. Само собой, за прошедшие годы технологии шагнули далеко вперед. Появись телескоп «Хаббл» в наше время, его возможности колоссальнейшим образом превзошли бы оригинальную версию. Именно так появился «Джеймс Уэбб».
Чем полезен «Джеймс Уэбб»
Новый телескоп, подобно своему предку, также является орбитальной инфракрасной обсерваторией. Это означает, что его основной задачей будет изучение теплового излучения. Напомним, что объекты, нагретые до определенной температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. Длина волн зависит от температуры нагревания: чем она выше, тем короче длина волны и тем интенсивнее излучение.
Впрочем, есть одно концептуальное отличие между телескопами. «Хаббл» находится на низкой околоземной орбите, то есть вращается вокруг Земли на высоте примерно 570 км. «Джеймс Уэбб» будет выведен на гало-орбиту в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля. Он будет вращаться вокруг Солнца, и, в отличие от ситуации с «Хабблом», Земля не будет ему мешать. Сразу возникает проблема: чем дальше находится объект от Земли, тем сложнее с ним связаться, следовательно — выше риск его потерять. Поэтому «Джеймс Уэбб» будет перемещаться вокруг светила синхронно с нашей планетой. При этом удаление телескопа от Земли составит 1,5 млн км в противоположную от Солнца сторону. Для сравнения — расстояние от Земли до Луны составляет 384 403 км. То есть, если аппаратура «Джеймса Уэбба» выйдет из строя, починить ее, скорее всего, не получится (разве что в удаленном режиме, что накладывает серьезные технические ограничения). Поэтому перспективный телескоп делают не просто надежным, а сверхнадежным. Именно с этим отчасти связаны постоянные переносы даты запуска.
Есть у «Джеймса Уэбба» еще одно важное отличие. Аппаратура позволит ему сконцентрироваться на очень древних и холодных объектах, которые «Хаббл» не смог бы рассмотреть. Так мы узнаем, когда и где появились первые звезды, квазары, галактики, скопления и сверхскопления галактик.
Самыми интересными находками, которые способен сделать новый телескоп, можно назвать экзопланеты. Если быть точней, речь идет об определении их плотности, что позволит понять, какой тип объекта перед нами и может ли такая планета быть потенциально обитаемой. С помощью «Джеймса Уэбб» ученые также надеются собрать данные о массе и диаметрах далеких планет, а это откроет новые данные и о родной галактике.
Оборудование телескопа позволит выявлять холодные экзопланеты с температурой поверхности до 27°C (средняя температура на поверхности нашей планеты равна 15°C). «Джеймс Уэбб» сможет находить такие объекты, находящиеся на расстоянии более 12 астрономических единиц (то есть расстояний от Земли до Солнца) от их светил и удаленные от Земли на расстояние до 15 световых лет. Серьезные планы касаются атмосферы планет. Телескопы «Спитцер» и «Хаббл» смогли собрать информацию примерно о ста газовых оболочках. Согласно оценкам специалистов, новый телескоп сможет исследовать, по меньшей мере, триста атмосфер разных экзопланет.
Отдельным пунктом стоит выделить поиск гипотетических звездных населений III типа, которые должны составлять первое поколение звезд, появившихся после Большого взрыва. По оценкам ученых, это очень тяжелые светила с малым временем жизни, которых, конечно, уже не существует. Эти объекты имели большую массу из-за отсутствия углерода, нужного для классической термоядерной реакции, в которой тяжелый водород превращается в легкий гелий, а избыток массы превращается в энергию. Кроме всего этого, новый телескоп сможет детально изучить ранее неисследованные места, где рождаются звезды, что также весьма важно для астрономии.
Главные задачи нового телескопа:
— Поиск и изучение самых древних галактик;
— Поиск землеподобных экзопланет;
— Обнаружение звездных населений третьего типа;
— Исследование «звездных колыбелей»
Конструктивные особенности
Разработали аппарат две американские компании — Northrop Grumman и Ball Aerospace. James Webb Space Telescope — настоящее произведение инженерного искусства. Новый телескоп весит 6,2 т — для сравнения, «Хаббл» имеет массу 11 т. Но если старый телескоп по габаритам можно сопоставить с грузовым автомобилем, то новый сравним с кортом для тенниса. Его длина достигает 20 м, а высота – как у трехэтажного дома. Самая крупная часть James Webb Space Telescope — огромный противосолнечный щит. Это основа всей конструкции, созданная из полимерной пленки. С одной стороны ее покрывает тонкий слой алюминия, а с другой — металлический кремний.
Противосолнечный щит имеет несколько слоев. Пустоты между ними заполняет вакуум. Это нужно, чтобы уберечь аппаратуру от «теплового удара». Такой подход позволяет охлаждать сверхчувствительные матрицы до –220°C, что очень важно, если говорить о наблюдении за далекими объектами. Дело в том, что, несмотря на совершенные сенсоры, они могли не увидеть объекты из-за других «горячих» деталей «Джеймса Уэбба».
В центре конструкции — огромное зеркало. Это «надстройка», которая нужна, чтобы фокусировать пучки света — зеркало их выпрямляет, создавая четкую картину. Диаметр основного зеркала телескопа «Джеймс Уэбб» равен 6,5 м. Оно включает в себя 18 блоков: во время старта ракеты-носителя эти сегменты будут находиться в компактном виде и раскроются лишь после выхода аппарата на орбиту. Каждый сегмент имеет шесть углов — это сделано, чтобы оптимально использовать имеющееся пространство. А округлая форма зеркала позволяет лучше всего фокусировать свет на детекторах.
Для изготовления зеркала выбрали бериллий — относительно твердый металл светло-серого цвета, который, кроме прочего, характеризуется высокой стоимостью. Среди преимуществ такого выбора — то, что бериллий сохраняет форму даже при очень низких температурах, что очень важно для корректного сбора информации.
Научные инструментыg
Обзор перспективного телескопа был бы неполным, если бы мы не заострили внимание на его главных инструментах:
MIRI. Это прибор среднего инфракрасного диапазона. Он включает в себя камеру и спектрограф. В состав MIRI входят несколько массивов мышьяко-кремниевых детекторов. За счет сенсоров этого прибора астрономы надеются рассмотреть красное смещение далеких объектов: звезд, галактик и даже небольших комет. Космологическим красным смещением называют понижение частот излучения, которое объясняется динамическим удалением источников друг от друга из-за расширения Вселенной. Что самое интересное, речь идет не просто о фиксировании того или иного удаленного объекта, а о получении большого объема данных о его свойствах.
NIRCam, или камера ближнего инфракрасного диапазона, — основной блок формирования изображения телескопа. NIRCam представляет собой комплекс ртутно-кадмиево-теллуровых сенсоров. Рабочий диапазон устройства NIRCam — 0,6-5 мкм. Сложно даже вообразить, какие тайны поможет разгадать NIRCam. Ученые, например, хотят с ее помощью создать карту темной материи, используя так называемый метод гравитационного линзирования, т.е. нахождения сгустков темной материи по их гравитационному полю, заметному по искривлению траектории недалекого электромагнитного излучения.
NIRSpec. Без спектрографа ближнего инфракрасного диапазона невозможно было бы определить физические свойства астрономических объектов, таких, например, как масса или химический состав. NIRSpec может предоставить спектроскопию среднего разрешения в диапазоне длины волн от 1 до 5 мкм и низкого разрешения с длиной волны 0,6-5 мкм. Прибор состоит из множества ячеек, имеющих индивидуальное управление, что позволяет концентрировать внимание на конкретных объектах, «отсеивая» ненужное излучение.
FGS/NIRISS. Это пара, состоящая из датчика точного наведения и устройства создания изображения в ближнем инфракрасном диапазоне с бесщелевым спектрографом. За счет датчика точного наведения (FGS) телескоп сможет максимально точно выполнять фокусировку, а за счет NIRISS ученые намерены провести первые орбитальные испытания телескопа, которые дадут общее представление о его состоянии. Также предполагается, что устройство формирования изображения сыграет важную роль в наблюдении за далекими планетами.
Формально телескоп намерены эксплуатировать пять-десять лет. Однако, как показывает практика, этот срок могут продлить на неопределенное время. И «Джеймс Уэбб» может предоставить нам гораздо больше полезной и просто интересной информации, чем кто-либо мог себе вообразить. Тем более, что сейчас невозможно даже представить, какой «монстр» сменит самого «Джеймса Уэбба», и в какую астрономическую сумму обойдется его строительство.
Еще весной 2018 года цена проекта возросла до немыслимых $9,66 млрд. Для сравнения, годовой бюджет NASA составляет примерно $20 млрд, а «Хаббл» на момент постройки стоил $2,5 млрд. Другими словами, «Джеймс Уэбб» уже вошел в историю как самый дорогой телескоп и один из самых дорогостоящих проектов в истории освоения космоса. Больше стоили только лунная программа, Международная космическая станция, шаттлы и система глобального позиционирования GPS. Впрочем, у «Джеймса Уэбба» все впереди: его цена может еще вырасти еще больше. И хотя в его строительстве участвовали эксперты из 17 стран, львиная доля финансирования все еще лежит на плечах Штатов. Нужно полагать, так будет и дальше.
