Телескоп Джеймс Уэбб

Космические телескопы всегда будут на острие познания космоса — им не мешает ни атмосфера Земли с ее искажениями и облачностью, ни вибрации и шумы на поверхности планеты. Именно внеземные устройства позволили получить детальные и красивые фотографии отдаленных туманностей и галактик, которые даже не видны человеческому глазу на ночном небе. Однако в 2018 году начнется новая эпоха в изучении космоса, которая отодвинет дальше видимые границы Вселенной — будет запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», рекордсмен индустрии. Причем рекорды от бьет не только по характеристикам: стоимость проекта на сегодняшний день достигает 8,8 миллиарда долларов.

Задачи «Джеймса Уэбба»

Прежде чем говорить об устройстве и функционале «Джеймса Уэбба», стоить разобраться, для чего он нужен. Казалось бы, изучению Вселенной мешает всего-то одна атмосфера Земли, и можно попросту доставить телескоп с прикрученной к нему камерой на орбиту и радоваться жизни. Но при этом «Джеймса Уэбба» разрабатывают уже больше десятка лет, а итоговый бюджет еще на стадии раннего проецирования превысил стоимость его предшественника, орбитального телескопа им. Эдвина Хаббла! Следовательно, орбитальный телескоп — это нечто более сложное, чем любительская подзорная труба на треноге, и его открытия будут в сотни раз ценнее. Но что такого особенного можно исследовать телескопом, тем более космическим?

Подняв голову к небу, каждый может увидеть звезды. Но изучение отдаленных на миллиарды километров объектов — достаточно сложная задача. Свет звезд и галактик, который движется миллионами, а то и миллиардами лет, претерпевает значительные изменения — а то и вовсе не доходит до нас. Так, пылевые облака, которые часто распространены в галактиках, способны полностью поглотить все видимое излучение звезды. Еще непрестанное расширение Вселенной приводит к красному смещению света — его волны стают длиннее, изменяя диапазон в сторону красного, или же невидимого инфракрасного. А сияние даже самых больших объектов, пролетев расстояние в миллиарды световых лет, становится подобно свету карманного фонарика среди сотен прожекторов — для обнаружения сверхотдаленных галактик требуются приборы невиданной чувствительности.

Объекты поменьше вроде экзопланет — планет, находящихся вне Солнечной системы — создают еще большие проблемы при обнаружении. Они не излучают свет сами, а лишь отражают лучи своих светил. В лучшем случае, если планета полностью состоит изо льда, она отражает до 60–70 процентов света. Однако лучи звезды ослабевают еще на подлете к планете, а на больших расстояниях и вовсе невидимы. Поэтому единственным пока надежным способом наблюдать экзопланеты является слежение за их собственным тепловым излучением — или же за тем, как они перекрывают звезды. И для этого опять нужна величайшая чувствительность приборов — средняя температура большинства планетных тел редко когда превышает 0° C, а часто и вовсе опускается далеко ниже –100°. Средняя температура Земли составляет около 8° С — поэтому множество относительно близких к нам планет, которые могут быть домом для жизни, до сих пор остаются невидимыми для астрономов.

Помимо открытия нового, изучение дальнего космоса — это самый легкий способ узнать историю прошлого Вселенной. И не просто узнать — увидеть собственными глазами. Звезды и планеты, находящиеся за десять световых лет от нас, мы видим именно такими, какими они были десять лет назад — за то время, пока их свет летит к Земле, они могут взорваться и исчезнуть. И чем дальше заглянуть, тем древнее времена можно увидеть — вплоть до первых годов после Большого взрыва, которые отдалены от нас нескольким больше чем на 13,81 миллиарда световых лет (больше — потому что Вселенная расширяется, и свету нужно преодолевать большие расстояния).

«Джеймс Уэбб», названный на честь второго в истории руководителя НАСА — того самого, что курировал первые полеты на Луну — позволит преодолеть все эти проблемы. Его приборы ориентированы на самый глубокий инфракрасный спектр света (и часть видимого), что позволит видеть ему не только сквозь облака пыли и препятствия, но замечать даже очень холодные объекты. В пределах Солнечной системы он сможет обнаружить тело с температурой около –170° С, а у звезд в радиусе 15 световых лет — планету с температурой Земли или Марса. Таким образом, «Джеймсу Уэббу» будут видны не только планеты, но и их потенциальные спутники. А разрешающая способность телескопа, увеличенная за счет новой технологии зеркала и точных приборов, позволяет заглянуть ему на дальше 800 миллионов лет существующего рекордсмена, орбитального телескопа «Хаббла». «Джеймс Уэбб» сможет увидеть Вселенную лишь в 100 миллионах лет после Большого взрыва.

Параметры и устройство «Джеймса Уэбба»

Миссия космического телескопа непроста — но и берется за нее «Джеймс Уэбб» далеко не с голыми руками. Сложная защита, оборудование, маневровые двигатели, рассчитанные на ежегодные поправки курса — все это проектировалось годами разработчиками со всего мира, и не раз усовершенствовалось в процессе разработки. Оцените только некоторые цифры из параметров «Джеймса Уэбба»:

• Вес аппарата при запуске: 6,5 тонны. Разумеется, часть веса занимает топливо — для корректировок орбиты «Джеймс Уэбб» возьмет с собой горючего на суммарный разгон в 150 м/с. Однако даже с ним вес телескопа сравнительно небольшой: его старший коллега «Хаббл» весит почти в два раза больше, 11 тонн.
• Линейные измерения «Джемса Уэбба» впечатляют: в самом большом месте он имеет длину в 20 метров и ширину в 7 — прямо как поле для тенниса или мини-футбола. Но и рабочая часть не отстает. Центральный телескоп «Уэбба» достигает 6,5 м в диаметре, а общая площадь его зеркала в 25 м² — пока что рекордная среди всех космических телескопов. Площадь зеркала «Хаббла» была около 4,5 м², а размерами он был немногим больше автобуса «Икарус».
• Расстояние от телескопа до Земли будет колебаться. В самой ближней точке «Уэбб» будет подлетать к Земле на 374 тысячи километров — на 10 тысяч километров ближе Луны. А в максимуме телескоп будет отдаляться на 1,5 миллиона километров!

• Несмотря на громадное отдаление «Уэбба», связь с Землей будет высшего качества. Хотя канал для контроля и регулировки телескопа будет пропускать всего 16 Кбит/с с Земли и 40 Кбит/с на Землю, для научных данных была создана выделенная линия. По ней телескоп сможет передавать снимки со скоростью 28 Мбит/с. К примеру, полуторачасовой фильм в высоком качестве можно будет получить меньше чем за 10 минут — а единичные снимки будут загружаться за считанные минуты.

Интересный факт — низкая скорость передачи данных никогда не останавливала исследователей космоса. Показательна история зонда «Галилео», который первым доставил высококачественные снимки Юпитера и его спутников общим весом на 30 гигабайт. Однако его высокоскоростная антенна сломалась еще во время полета — и передавать данные пришлось со скоростью всего 160 бит/с.

Основные элементы телескопа

Однако цифры не являются единственным мерилом сил телескопа. Главное — это конкретные устройства, благодаря которым «Джеймс Уэбб» получает свои невиданные способности. Давайте вкратце рассмотрим их и разберемся, для чего они нужны.

Тепловой щит

Самая большая часть телескопа — это 20×7 метровый противосолнечный щит, напоминающий кораблик из нескольких согнутых листов бумаги. Но на самом деле он сделан из специальной полимерной пленки, покрытой тонким слоем алюминия на одной стороне, и металлическим кремнием на другой. Композитный материал щита «Уэбба» отличается поразительной теплоизоляцией: когда на одной стороне покрытия можно жарить блины, на другой моментально будет замерзать вода. Как вы уже могли заметить, щит телескопа многослойный — а пустоты между его слоями заполнены вакуумом специально для усложнения передачи тепла вглубь, к сердцу телескопа.

Зачем телескопу такая серьезная защита от солнечных лучей? Все дело в инструментах «Джемса Уэбба», ориентированных на инфракрасное излучение. Да, они могут «увидеть» объект температурой ниже –100° C — но для этого сверхчувствительным матрицам телескопа требуется быть самим охлажденными  до –220° C. В противном случае инфракрасное свечение собственных деталей ослепит телескоп.

Зеркало

Больше всего внимания привлекает отражатель телескопа — зеркальный круг из 18 шестиугольных фрагментов, которые из-за своего насыщенно-желтого цвета напоминают пчелиные соты. Сами зеркала изготовлены из бериллия, известного своей стойкостью к сверхнизким температурам, а яркий цвет обеспечивает позолота — золото лучше отражает свет в инфракрасном диапазоне, служа тем самым цветовым фильтром для «Джеймса Уэбба».

Для чего вообще телескопу нужно зеркало? Прежде всего, оно служит для фокусировки пучков света — зеркало выпрямляет их, создавая четкую картину и убирая цветовые искажения. Кроме того, зеркало может захватить много деталей за счет неограниченности своего размера. Изготовление линзы площадью 25 м², эквивалентной зеркалу «Уэбба» — это невероятно сложный и дорогой процесс. Да и предмет таких размеров и массы невозможно вывести на орбиту, не повредив его.

К слову, именно необходимость втиснуться в узкий грузовой отсек ракеты стала причиной ячеистого вида зеркала «Джеймса Уэбба». Шестиугольная форма является наиболее оптимальной для сборного зеркала: так наиболее эффективно используется пространство, да и свет распределяется по поверхности зеркала равномерно и без неустранимых искажений. Каждая из 18 ячеек «Уэбба» сохранит подвижность даже после выведения на орбиту — они будут поворачиваться в сторону объектов-целей, составляя каждый раз единую поверхность.

Главное зеркало не является единственным на телескопе — еще два изогнутых зеркала «собирают» изображение с поверхности главного с целью повышения его качества. Одно из них служит «рулевым», поворачиваясь десятки раз в секунду с целью стабилизации итогового снимка. Эта уловка, вместе с чувствительностью камер, позволит «Уэббу» сделать за минуты тот снимок, для которого телескопам-предшественникам понадобились бы часы.

Научные приборы телескопа

Мы уже знаем, что миссия Джеймса Уэбба в первую очередь ориентирована на изучение Вселенной в инфракрасном спектре. Однако даже один световой диапазон может содержать различную информацию — от местоположения наблюдаемого объекта, до его массы и даже точного состава! А еще телескопу нужно как-то ориентироваться в пространстве — «Джеймс Уэбб» будет далеко от Земли, даже не на орбите. Соответственно, для правильной навигации потребуются быстрые и качественные снимки звезд. Отдаленные светила будут неподвижны относительно телескопа, как бы он не перемещался, а, значит, послужат ему для собственной стабилизации.

Тем не менее для всего этого «Джемсу Уэббу» потребуются специальные приспособления. Рассмотрим основные модули телескопа:

• Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera) является первыми и главными глазами телескопа. Хотя NIRCam видит понемногу обычного и инфракрасного света, она создает первичные снимки удаленных объектов, которые затем исследуются другими инструментами. Именно этот прибор первым увидит старейшие звезды во Вселенной. Также камера оснащена коронографом — он подавит свет далеких светил, дабы попытаться увидеть планеты вокруг них.
• Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph) будет изучать детальнее обнаруженные NIRCam объекты. Спектрография позволяет выяснить намного больше свойств объекта — массу, температуру и состав — но для нее требуется очень много времени. Для получения данных о сверхдалеких звездах, которые едва видно даже самому «Джеймсу Уэббу», нужна выдержка в пару сотен часов. Поэтому для NIRSpec был разработан специальный затвор, состоящий из ста мини-затворов размером 100×200 микрометров. Этот хитрый механизм позволит не только фильтровать свет, но и изучать десятки объектов одновременно, экономя драгоценное время.

• Устройство среднего инфракрасного диапазона (Mid-Infrared Instrument) является наиболее чувствительным прибором из всего арсенала «Джеймса Уэбба» — он способен детектировать волны света инфракрасного спектра длиной до 28 микрометров. Сочетая в себе камеру и спектрометр, MIRI способен увидеть самые незаметные из объектов: далекие галактики, рождающиеся звезды, кометы и астероиды пояса Койпера в Солнечной системе. Некоторые астрономы ожидают, что этот инструмент сыграет большую роль в поисках Планеты X. Еще MIRI является наиболее чувствительным к температуре элементом — для корректной работы он искусственно охлаждается до –266° C, что немногим больше абсолютного нуля температуры.
• Фотоаппарат ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph) в некотором смысле дублирует функции NIRCam и NIRSpec. Он будет совершать первичную наводку на объекты изучения, а также подробно изучать планеты отдаленных звездных систем.

• Датчик точного наведения (Fine Guidance Sensor) является служебным прибором, назначение которого — навигация самого телескопа. С помощью FGR телескоп сможет 16 раз в секунду обновлять свое местоположение в пространстве, а также контролировать наводку «рулевого» зеркала. Также при выходе на заданную орбиту этот инструмент отследит корректность развертывания основного зеркала «Джеймса Уэбба».

Также телескоп будет оснащен центральным компьютером, который будет координировать работу научных модулей, обрабатывать полученные данные и отправлять их на Землю, производя одновременно рутинные технические операции.

Орбита «Джеймса Уэбба» и будущее проекта

В статье мы уже упоминали, что телескоп не будет кружить вокруг Земли, как это делает «Хаббл» — он будет отправлен подальше, на орбиту Солнца. Для чувствительных к свету инструментов важно, чтобы ни Луна, ни Земля не возникали в поле зрения телескопа. Одновременно «Джеймс Уэбб» должен постоянно находиться рядом с нашей планетой — это необходимо для эффективного управления и передачи данных. Как это удастся ученым?

Привязать телескоп к планете и одновременно пустить его в свободное плавание удастся благодаря гало-орбите вокруг точки Лангранжа-2 системы Земля-Солнце. Звучит сложно — что же это значит? О точках Лагранжа мы уже не раз упоминали в своих статьях. В любой гравитационной системе, состоящей из двух массивных тел — например, Солнца и Земли — возникает 5 устойчивых точек, в которых маленькое тело, вроде спутника или астероида, может безбоязненно находиться на неизменной орбите. Более того, вокруг этой точки можно построить орбиту и вращаться, как будто она является материальным телом.

Это свойство и собирается использовать «Джеймс Уэбб» — он будет кружить вокруг точки Лагранжа 2, перемещаясь вокруг Солнца синхронно с Землей. Поэтому орбита и называется «гало» (от древнегреческого «halos» — диск, нимб). Только форма ее будет далека от идеального круга — она будет сильно вытянутой и больше напоминать эллипс. На это есть свои причины: к примеру, телескоп сможет периодически подходить к ближе к Земле и быстрее передавать данные. А еще так попросту легче — на округление орбиты пришлось бы потратить много топлива, что усложнит конструкцию ракеты, уменьшая тем самым полезную нагрузку телескопа.

На создателях «Джеймса Уэбба» лежит огромная ответственность. С тех пор как в 2018 году ракета «Ариан-5» выведет телескоп на орбиту, его нельзя будет улучшить, отремонтировать или изменить — сейчас не существует активных технологий, которые могли бы доставить к нему ремонтную бригаду. Со знаменитым «Хабблом» это случалось не раз. У него то отказывали важные элементы, то надо было доставить новое оборудование, а то случались форс-мажоры — как-то раз аномалия магнитного поля Земли заставляла телескоп регулярно выключаться.

Большинство ремонтных работ производили астронавты на шаттлах — но шаттлы больше не используются, а «Джеймс Уэбб» будет находиться в разы дальше «Хаббла». Конечно, новый телескоп будет защищен от многих известных неприятностей. Но никто не гарантирует появление новых, еще не познанных в космонавтике. Поэтому сейчас сборка «Уэбба» продвигается крайне медленно — каждая деталь и комплекс проходит серию стресс-тестов, дабы отсечь любой неприятный сюрприз в будущем.