23 декабря 2021 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович. Фото: David Higginbotham / NASA

Грандиозный проект астрономии готов к запуску. Рассказываем про телескоп имени Джеймса Уэбба

Разыгрываем Playstation и Dyson в приложении Каталог Onlíner каждую пятницу

Космический телескоп — это единственная доступная нам машина времени. Такие телескопы способны разглядеть самый слабый свет, который миллиарды лет назад излучали древние звезды и галактики, рожденные в результате Большого взрыва. Самый совершенный на данный момент телескоп имени Джеймса Уэбба спустя два десятка лет наконец готов отправиться к месту службы. Инструмент способен рассказать нам многое о том, где мы живем, и найти признаки существования соседей. Рассказываем про то, зачем он нужен и как устроен.

Миссия Хаббла выполнена

В 1990 году космический шаттл вывел на орбиту телескоп Хаббла — первое настоящее окно во Вселенную. Прошло пять лет, и этот телескоп сделал самое волнующее фото за всю историю астрономии.

Телескоп на протяжении десяти дней всматривался в одну крошечную зону на небе — по-настоящему крошечную, размером всего лишь в одну 24-миллионную часть всего небосвода, по угловым размерам — что-то сравнимое с теннисным мячом на расстоянии 100 метров.

Астрономам с Земли казалось, что они вглядываются в кромешную тьму. Эту зону для наблюдения специально отобрали как самый черный участок на небосводе: минимум звезд нашей галактики, никакой пыли Млечного Пути, никаких источников инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Таких участков, вид на которые периодически не перекрывали бы Земля или Луна, на самом деле было не много — всего около 20 штук. Из них выбрали один в созвездии Большой Медведицы и принялись смотреть.

День за днем телескоп вбирал в себя свет на разной длине волны, в общей сложности сделал 342 снимка, потратив на их экспозицию 100 часов. В итоге получилось вот это: в самом темном пятне на небе оказались тысячи галактик с десятками миллиардов звезд в каждой.

Эта картинка при своих размерах захватывает дух необъятностью и величием. И одновременно рождает тоску от того, что каждый из этих ярких пикселей так и останется для тебя всего лишь картинкой, снимком прошлого, на котором отбился свет, испущенный галактиками миллиарды лет назад.

Вселенной почти 14 млрд лет, и как быстро ни двигался бы свет, но ему приходится преодолевать огромные расстояния. То разнообразие форм, размеров и оттенков галактик, что увидели астрономы в 1995 году благодаря телескопу Хаббла, для многих было неожиданностью. Этот снимок представлял собой временную шкалу эволюции Вселенной: галактики на нем запечатлены во всех возрастах и стадиях своего развития. И это было прямым доказательством того, что Вселенная с течением времени менялась.

В это сложно поверить, но в 1990-х еще были ученые, которые упорно держались за теорию устойчивой, стационарной Вселенной. Мол, наблюдаемая Вселенная практически одинакова в любое время и в любом месте. Сторонников этой теории стало значительно меньше после открытия космического микроволнового фонового излучения в 1964 году, что предсказывала теория Большого взрыва. А оставшиеся окончательно разуверились после снимков Хаббла.

С телескопом Хаббла связаны работы по темной материи, открытие экзопланет, изучение черных дыр и еще куча классных наблюдений и поразительных снимков: звездное скопление NGC 3603 в созвездии Киль, туманность Пузырь в созвездии Кассиопеи, облака пыли и газа в виде конской головы и еще огромное число завораживающих видов.


По теме
Как перестать бояться и полюбить камеры космических аппаратов

Наверное, каждый, кто сейчас прочитает эти строки, хотя бы раз в жизни видел заголовки, которые начинаются словами «NASA показало…» Обычно в статье идет речь о красивой фотографии или панораме поверхности какой-либо планеты, опубликованных на сайте одного из мировых космических агентств. Сегодня мы расскажем вам о том, где в интернете можно самостоятельно найти оригинальные «сырые» снимки космических аппаратов и как они становятся цветными... Читать далее

На протяжении всего срока службы телескоп Хаббла модернизировали и улучшали, насколько это было возможно. А он заглядывал все глубже во Вселенную и все дальше в прошлое. Модернизированные камеры сумели разглядеть пятна света, которые астрономы датировали 500 млн лет после Большого взрыва. Но прошло 30 лет на орбите, старичок Хаббл сбоит и сдает. Заглянуть еще дальше к истокам рождения Вселенной у него не получается — на подходе преемник.

Золотые соты Уэбба

О преемнике задумались еще за три года до запуска телескопа Хаббла. Он сам находился в разработке еще с 1970-х, а потому у ученых было понимание: телескоп-преемник будет создаваться десятилетия. Идея создания нового телескопа окончательно оформилась лишь к началу 2000-х. Диаметр его зеркала должен был вырасти до 6,5 метра (у Хаббла — 2,4 метра). Площадь сбора света превысила бы показатель предшественника в 6 раз. Чем больше отражатель, тем больше света он соберет.

Будущему телескопу присвоили имя Джеймса Уэбба, руководителя NASA во времена первых пилотируемых полетов, и запустили в производство. То, что планировалось вывести на орбиту еще в 2007 году, в итоге обрело более-менее завершенный вид лишь в 2016-м, а к запуску добралось еще спустя пять лет. За это время стоимость телескопа выросла с $500 млн до без малого $10 млрд. Несколько раз проект был на грани закрытия, но 25 декабря этого года в 15:20 по Минску (я очень сильно на это надеюсь) мы увидим успешный запуск и вывод на орбиту, без преувеличения, настоящего инженерного чуда.

Что такое телескоп Джеймса Уэбба вкратце? Это самый большой космический телескоп из когда-либо созданных человеком. Его основное зеркало состоит из сегментов в виде шестиугольников. Это зеркало будет ловить невидимое глазу человека инфракрасное излучение, что поможет нам заглянуть за пылевые облака и куда дальше по времени, чем это удавалось Хабблу. Его максимум — это снимок Вселенной возрастом около 500 млн лет. Астрономы надеются, что телескоп Джеймса Уэбба заглянет в прошлое вплоть до 50—100 млн лет с момента Большого взрыва, когда начали формироваться первые звезды и галактики. Но об этом чуть позже, а пока подробнее про инженерное чудо.

Как уместить зеркало диаметром 6,5 метра под головным обтекателем ракеты шириной около 5,5 метра? Зеркало придется складывать. Одна из главных сложностей в производстве телескопа Джеймса Уэбба — это конструкция его зеркала: массив из 18 шестиугольных сегментов, которые будут раскладываться на орбите в один большой отражатель, при этом на его поверхности не должно быть ни единого зазора больше толщины одной десятитысячной волоса.

Все сегменты должны прилегать друг к другу максимально плотно. Для этого нужны моторы с беспрецедентной точностью. Компания Ball Aerospace изобрела приводы с шагом в 10 нанометров. Эту разработку максимально шифруют, детальные фотографии двигателей в общем доступе не найти.

Каждый шестиугольный сегмент зеркала выполнен из бериллия — легкого, прочного и жесткого материала, который покрыли 100-нанометровым слоем золота для максимально эффективного отражения инфракрасного света.

В итоге масса зеркала составила 705 килограммов при площади 25 квадратных метров. У Хаббла, например, при площади 4,5 «квадрата» вес составляет 828 килограммов.

Еще одна уникальная деталь телескопа — это его солнцезащитный экран. Так как аппарат будет работать с инфракрасным излучением, нельзя допустить нагревания зеркала от солнечных лучей, поскольку фоновый шум от тепловых волн негативно скажется на результатах съемки.

Для этого придумали пятислойный экран из каптона — серебристого пластика, покрытого алюминием и легированным кремнием. Все это имеет толщину с человеческий волос. Благодаря этому тонкому щиту зеркало будет находиться в постоянной тени. А тень в космосе — это температура в минус 223 градуса по Цельсию.

Экран охладит аппарат. Приборы ближнего инфракрасного диапазона будут работать при температуре около -234 градуса за счет пассивной системы охлаждения. Прибор среднего инфракрасного диапазона будет работать при температуре -266 градусов, используя гелиевый холодильник или систему криокулера

Основная беда в том, что этот экран должен развернуться уже в космосе. Если предсказать, как что-то жесткое будет раскладываться при нулевой гравитации, относительно просто, то с гибкими мягкими экранами это практически нереально. Даже на Земле не так уж и просто расправить одеяло на кровати, а в космосе с помощью 90 натяжных тросов растянуть пять экранов — та еще задачка, в которой слишком многое может пойти не по плану.

Вдалеке от дома

Когда Хаббл вывели на орбиту в 1990-м, очень скоро обнаружилось, что зеркало его не идеально. Снимки выходили размытыми и нечеткими из-за дефектного сдвига линзы на 1,3 миллиметра. Потребовалась установка корректирующих очков. Благо телескоп вращается на орбите вокруг Земли, а потому астронавты на космическом шаттле смогли подлететь к нему и провести сервисное обслуживание. Этот трюк повторяли несколько раз при модернизации Хаббла.

С телескопом Уэбба так не получится. Он будет находиться на расстоянии 1,5 млн километров от Земли, в точке Лагранжа. Это равновесная точка, в которой телескоп будет располагаться к Земле и Солнцу «спиной». Так далеко живой человек еще не забирался.

Путь к точке Лагранжа L2 будет долгим. Иллюстрация: Roen Kelly

Собственно, этим и объясняются многие переносы запуска телескопа. Однажды отправив столь дорогой и сложный инструмент так далеко от Земли, починить его не будет практически ни единого шанса. А потому ученые и инженеры хотят быть максимально уверены в том, что в космосе все пройдет по их плану и никакая даже малейшая ошибка не прокрадется в конструкцию телескопа до старта.

Потому телескоп долгие годы подвергали одному тесту за другим, выявляя все новые проблемы и недочеты. После одного из таких тестов, когда телескоп хорошенько потрясли, на полу обнаружили шурупы и шайбы, которые удерживали крышку солнцезащитного козырька и не были хорошенько затянуты.

Зеркала телескопа в криокамере во время подготовки к одному из испытаний

Деньги не мерило всего

Телескоп имени Джеймса Уэбба может ответить на многие вопросы и разрешить большие противоречия в космологии, которые другими инструментами человеку не прояснить. Например, теория указывает на то, что Вселенная должна расширяться медленнее, чем показывают наши наблюдения. Существует ли какой-то экзотический ингредиент, который на это влияет? Наблюдение за протогалактиками может оказаться ключом к пониманию природы темной материи, а если ученым удастся увидеть ранние звезды, то, возможно, они поймут, как образуются сверхмассивные черные дыры в центре галактик. Другая часть научного сообщества надеется на способность телескопа Джеймса Уэбба выявлять в атмосферах экзопланет газы, которые свидетельствуют о наличии на них жизни.

На карту поставлено чертовски многое. И речь совсем не про денежную оценку телескопа. Да, запуск — это, пожалуй, самая простая часть задачки. Телескоп уже доставлен на космодром во Французской Гвиане. Туда его, кстати, перевозили тайно на корабле, опасаясь возможного пиратства. Его установят на большую пороховую бочку, но обращаться с ними мы уже по большей части научились.

Телескоп полетит на ракете Ariane 5

Самое сложное начнется, когда телескоп будет в космосе. Долгий танец активаций и развертывания тросов, проводов, приводов. Запуск телескопа — это всего лишь кульминация длинного первого эпизода, за которым последуют 30 дней напряженного тягучего ожидания без возможности на что-либо повлиять.

Если все будет хорошо, то спустя шесть месяцев после запуска, окончательного развертывания и ввода в эксплуатацию телескоп начнет работать — не со всеми задачами сразу, но каждый его взгляд в дальний космос будет для нас бесконечно ценным знанием о мире, в котором мы родились, но о котором так мало знаем.

Ракета с телескопом должна взлететь с космодрома Куру во Французской Гвиане. Прогноз погоды на конец декабря и начало января там неблагоприятный, а потому пуск вполне может сместиться с 15:20 25 декабря по минскому времени на 2022 год. Ждем хороших новостей, тогда и поговорим обо всех научных инструментах и запланированных исследованиях для телескопа Джеймса Уэбба.

ахроматический рефрактор, диаметр: 70 мм, фокусное расстояние: 500 мм, относительное отверстие: 1/7.2, азимутальная (AZ) монтировка, окуляры 10 мм/25 мм
ахроматический рефрактор, диаметр: 50 мм, фокусное расстояние: 600 мм, относительное отверстие: 1/12, азимутальная (AZ) монтировка, окуляры 4 мм/12 мм/20 мм
ахроматический рефрактор, диаметр: 50 мм, фокусное расстояние: 360 мм, относительное отверстие: 1/7.2, азимутальная (AZ) монтировка, окуляры 6 мм/20 мм

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович. Фото: David Higginbotham / NASA