19 683
30 декабря 2021 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович

Ювелирная работа. Из чего состоит уникальный телескоп Джеймса Уэбба

Космический телескоп Джеймса Уэбба представляет собой гигантский скачок в нашем стремлении понять Вселенную и наше происхождение. Как возникла эта необъятная Вселенная? Одиноки ли мы в космосе? Уэбб готов прояснить многие важные вопросы о том, как формировался этот мир, как эволюционировали галактики, рождались звезды, может найти следы жизни на далеких планетах. Все это благодаря огромному зеркалу и четырем инструментам на борту. Рассказываем об их особенностях подробнее.

Инфракрасный диапазон и спектрограф

У установленных на телескопе Уэбба инструментов есть две основные функции: визуализация (или получение изображений научных целей) и спектроскопия (или разделение света на отдельные длины волн для определения физических и химических свойств различных форм космической материи).

Инструменты покрывают диапазон ближнего и среднего инфракрасного излучения (600—28 800 нм). Оптическое разрешение — 0,1 угловой секунды.

Телескоп настолько чувствительный, что мог бы засечь тепловую сигнатуру шмеля на поверхности Луны.

Телескоп Хаббла наблюдал космос в видимом диапазоне света и немного в ультрафиолете. Но если тут, на Земле, нам этого оказывается достаточно, то в космосе слишком много интересного скрыто для глаза, который может видеть только в видимом спектре. Обладая более длинными волнами, инфракрасное излучение способно проникать сквозь плотные молекулярные слои. Пылевые облака не помешают Уэббу смотреть далеко.

Инфракрасное излучение позволит заглянуть глубже к истокам всего сущего. Дело в том, что по мере расширения Вселенной свет растягивается, происходит так называемое космологическое красное смещение. Свет звезд, излучаемый на коротких ультрафиолетовых волнах и волнах в видимом диапазоне, растягивается в более длинные инфракрасные.

Что касается спектроскопии, то это мощный инструмент для изучения удаленных от нас объектов. Мы не можем их пощупать или понюхать, но можем разложить их свет на составляющие, понять, из каких молекул и элементов состоит этот объект. Атомы каждого химического элемента излучают и поглощают характерные частоты света. Зафиксировав эти частоты, можно распознать присутствие элемента даже в небольших количествах.

В разработке основных научных инструментов телескопа участвовали специалисты NASA, ESA, Университета Аризоны и Университета Монреаля, компаний из США, Европы и Канады, в числе которых Lockheed Martin, Airbus Defence and Space, Honeywell — всего в списке участников более 300 компаний и организаций.

Инструментам нужны особые условия

После раскрытия солнцезащитного экрана телескоп Уэбба начнет сам по себе остывать. Спустя месяц после старта обсерватория достигнет точки L2, понадобится еще примерно неделя на то, чтобы одна из камер остыла до температуры, при которой она сможет начать работу и поможет отрегулировать зеркала телескопа. Инструменты заточены на работу с инфракрасным диапазоном, а потому тепловых помех от корпуса необходимо избежать.

Еще три недели уйдет на то, чтобы телескоп остыл до температуры около 40 кельвинов (минус 229 градусов по Цельсию), прежде чем с научными инструментами будет безопасно работать. Один из инструментов для работы требует еще более низкую температуру в 7 кельвинов (минус 266 градусов по Цельсию), а потому на его полное охлаждение понадобится около 100 дней со старта и дополнительный вклад криокулера.

Когда Уэбб достаточно остынет, прибор NIRCam может помочь определить, правильно ли свет проходит через зеркала и инструменты. Далее идет процесс настройки каждого из отдельных сегментов главного зеркала. Прибор будет зондировать волновой фронт, измерять любые недостатки в выравнивании сегментов зеркала, которые препятствуют их работе как единого целого. Они должны быть выровнены с точностью до нанометра.

Этот этап закончится где-то спустя четыре месяца после запуска.

В оставшиеся пару месяцев Уэбб будет наводиться на различные цели для тестирования и проведения оставшихся этапов калибровки каждого инструмента в каждом режиме наблюдения.

Что за инструменты?

Основная полезная нагрузка телескопа — это интегрированный модуль научных приборов (Integrated Science Instrument Module, ISIM). Там находятся все основные инструменты. Этот модуль укрыт экраном от видимого и инфракрасного излучения со стороны Солнца, Земли и Луны.

Четыре инструмента телескопа будут получать свет от системы зеркал и с помощью различных камер, спектрографов, коронографов выжимать максимум из каждого взгляда в космос.

Камера ближнего ИК-диапазона (NIRCam) — это основная камера Уэбба, которая будет работать с длинной волны от 600 до 5000 нанометров, на которой пыль становится прозрачной. Это устройство с высоким разрешением оборудовано коронографами. Такие штуки позволяют блокировать яркий свет звезд и делать снимки очень слабых и тусклых объектов в их окрестностях. Это полезно для определения характеристик планет, вращающихся вокруг близких звезд.

Спектрограф ближнего ИК-диапазона (NIRSpec) работает в тех же границах волн, что и предыдущий инструмент. Это первый спектрограф в космосе, который способен одновременно наблюдать сотню объектов. У него есть массив микрозатворов, каждый шириной с волос, у каждого есть крышка, которая закрывается и открывается при приложении магнитного поля. Каждый можно контролировать индивидуально. Уникальная и сложная штука.

Бесщелевой спектрограф ближнего инфракрасного диапазона / датчик точного наведения (NIRISS/FGS) — единственный инструмент, оснащенный апертурной маской, NIRISS обладает уникальной способностью получать изображения ярких объектов с разрешением, превышающим разрешение других приборов. NIRISS работает в диапазоне длин волн от 0,6 до 5 микрон.

FGS предназначена для обеспечения стабильности и точного наведения телескопа в нужном направлении на протяжении всего наблюдения. Эта система обнаруживает и ориентируется на опорные звезды, обеспечивая фиксацию телескопа в течение всего времени наблюдения.

Прибор среднего ИК-диапазона (MIRI) обеспечивает съемку и спектроскопию в пределах от 5000 до 28 000 нанометров. Он оснащен камерой, коронографами, спектрографами и интегральным полевым блоком. Это комбинация из камеры и спектрографа, которая используется для получения и отображения спектров в поле зрения.

И у этого инструмента есть колесо фильтров

Астрономы полагаются на этот прибор для изучения красного смещенного света далеких галактик, формирующихся звезд, слабо видимых комет и объектов в поясе Койпера.

Так как MIRI видит в инфракрасном излучении дальше, чем другие инструменты, то и охладить его надо сильнее. Инструменты ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS будут работать при температуре около 39 кельвинов (минус 234 по Цельсию), прибор среднего инфракрасного диапазона MIRI — при 7 кельвинах (минус 266 по Цельсию) благодаря гелиевому холодильнику.

Компрессор криокулера в сборе

Как делят время?

Руководить научными операциями на телескопе будет специальный институт — Space Telescope Science Institute. Он предоставляет исследователям необходимые инструменты для планирования и выполнения операций, организовывает рассмотрение и отбор исследований с помощью двойной анонимной проверки, чтобы уменьшить предвзятость в процессе распределения времени телескопа между заинтересованными учеными. В первый цикл наблюдения телескопа были отобраны 280 программ из 41 страны мира. В общей сложности они займут 6 тыс. часов наблюдений Уэбба. Правда, за них возьмутся в последнюю очередь. Точнее, они не будут приоритетными.

Часть времени выделена ученым и организациям, которые были непосредственно задействованы в создании телескопа, — 4 тыс. часов наблюдений в первый год. Другая часть — это непосредственно научная программа, сделанная создателями Уэбба, — около 460 часов. Эти наблюдения призваны продемонстрировать возможности телескопа и предоставить предварительные наборы данных для использования мировым научным сообществом. Ими займутся в первую очередь.

Эксплуатировать телескоп хотят минимум 10 лет. Каждый год будут приниматься новые идеи для исследований.

В первом цикле одной из самых длительных операций будет исследование команды под руководством доктора Наташи Батала. Она получила почти 142 часа работы Уэбба. За это время девушка с помощью оборудования для ближней инфракрасной спектроскопии изучит свет, проходящий через атмосферу 11 каменистых планет, обнаруженных в рамках работы телескопа TESS.

Команда исследователей под ее руководством хочет увидеть, есть ли наблюдаемые изменения в составе атмосфер (если они есть) этих планет, особенно в зависимости от их размера. Атмосферной разведке в первый цикл подвергнутся и планеты звездной системы TRAPPIST-1, открытие которых в свое время наделало много шума из-за их удачного расположения в зоне обитаемости своей звезды.

Еще сотни целей запланированы для телескопа на первом цикле: это галактики, квазары, черные дыры и многое другое.


ёмкость встроенного аккумулятора: 11100 мА·ч, максимальный пусковой ток: 250 А, масса: 0.41 кг
ёмкость заряжаемой батареи: 1.2–120 А·ч, ток зарядки: 0.8–3.8 А

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. dm@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович