Запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» (англ. James Webb Space Telescope, JWST) научное сообщество ждало четверть века. Его главное зеркало в шесть раз больше, чем у «Хаббла», и покрыто золотом; приборы значительно чувствительнее, а теплозащитный экран и нахождение у второй точки Лагранжа позволят рекордно снизить тепловые помехи в наблюдениях, поэтому «Джеймс Уэбб» сможет увидеть в сотни раз более тусклые объекты, нежели «Хаббл»! А ещё это один из самых дорогих космических аппаратов в истории!
Содержание:
- Запуск и путь к точке Лагранжа L2
- Тернистый путь к звёздам
- Оборудование и возможности
- Смена для «Хаббла»
Телескоп «Джеймс Уэбб» в космосе. Иллюстрация. Credit: NASA/ESA/CSA.
Запуск и путь к точке Лагранжа L2
Запуск РН «Ариан-5» с космическим телескопом «Джеймс Уэбб». Credit: ESA/EADS.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» был запущен сегодня, 25 декабря в 15:20 по московскому времени с космодрома Куру во французской Гвиване с помощью европейской ракеты-носителя (РН) тяжёлого класса «Ариан-5». Это был 112 запуск этой ракеты.
После отделения от второй ступени РН «Ариан-5» «Джеймс Уэбб» развернул солнечную батарею и начал двигаться к гало-орбите вокруг второй точки Лагранжа в системе Солнце — Земля, расположенной в 1,5 миллионах километров от Земли. На этот путь телескопу понадобится 29 дней. Уже в ближайшее время будет развёрнута антенна с высоким коэффициентом усиления, а аппарат совершит свой первый манёвр по коррекции траектории с использованием двигателей обсерватории. В течение первой недели полёта телескоп развернёт все слои теплозащитного экрана и выдвинет двухметровую опорную башню, отделяющую оптическую систему от основной части обсерватории. Вторую неделю телескоп будет разворачивать оптическую систему, чтобы та начала постепенно остывать до рабочих температур.
Схема развёртывания обсерватории после запуска. Credit: ESA.
Полёт телескопа «Джеймс Уэбб» к точке Лагранжа L2. Credit: NASA/Campin/GSFC.
Зачем же «Джеймсу Уэббу» лететь так далеко? Выбранная орбита — идеальное место для этой космической обсерватории, чьи приборы нужно охлаждать до низких температур. На околоземной орбите ему понадобились бы гигантские запасы хладагента и много энергии на охлаждение, а вот на гало-орбите активное охлаждение потребуется лишь одному научному прибору — MIRI, а остальные системы остынут сами — за счёт излучения. Кроме того, вблизи L2 обсерватория сможет укрыться теплозащитным экраном от Солнца, Земли и Луны разом. При этом «Джеймсу Уэббу» будет требоваться относительно мало топлива, чтобы удерживаться на орбите.
Тернистый путь к звёздам
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» создан в результате международного сотрудничества 17 стран, во главе которых стоит NASA, со значительным вкладом Европейского (ESA) и Канадского (CSA) космических агентств.
Начало работы этой уникальной обсерватории мир ждал четверть века! Запуск регулярно переносили, а бюджет проекта рос. Из-за этого проект получил, наравне, например, с российским модулем МКС «Наука», нехорошую славу «космического долгостроя» у любителей космоса. Эта аналогия может показаться странной, но при сравнении дат у обоих проектов находятся удивительные совпадения. Например, и модуль, и телескоп начали разрабатываться в середине 90-х (1995 и 1996 года соответственно), они должны были быть запущены в 2007 году, но в космосе оказались лишь в 2021.
Первоначально телескоп носил короткое, но труднопроизносимое имя NGST (Next Generation Space Telescope, русс. «Космический телескоп нового поколения»). В честь Джеймса Эдвина Уэбба, который в 60-е годы прошлого века руководил NASA, его переименовали в 2002 году по инициативе Шона О'Кифи, тогдашнего администратора агентства. Уэбб управлял NASA с начала президентства Джона Кеннеди и до конца президентства Линдона Джонсона. Таким образом, он контролировал все первые пилотируемые запуски страны. Главной же заслугой Уэбба является его неоценимый вклад в организацию работ по пилотируемой лунной программе США «Аполлон». Но в текущих американских реалиях не всем понравилось такое название: в мае этого года группа ЛГБТ-активистов опубликовала петицию, в которой они требовали переименовать обсерваторию. Как заявляется в петиции, именование телескопа в честь Джеймса Уэбба будет означать «прославление предубеждений и анти-ЛГБТ настроения», так как тот был гомофобом и участвовал в политике притеснения сексуальных меньшинств. В качестве альтернативы авторы петиции предложили кандидатуру американской аболиционистки, борца против рабства Гарриет Табмен, которая ориентировалась по звёздам, спасая чернокожих людей из рабства. В конечном итоге космическое агентство было вынуждено начать расследование, которое возглавлял старший историк NASA Брайан Одом, по результатам которого название было решено оставить. Да и даже если бы удалось найти серьёзные доказательства нарушения прав человека Уэббом, то необходимо учитывать исторический контекст, ведь тогда в большинстве штатов гомосексуализм считался преступлением, а американское общество было крайне консервативным и религиозным.
А вот действительно серьёзным поводом для критики проекта стал его бюджет и неэффективное управление. Иронично, что при создании телескопа, названного в честь талантливого управленца, имелись серьёзные проблемы с организацией и неэффективным управлением... Предполагалось, что общая стоимость NGST составит 500 миллионов долларов США, а в космос он отправится в 2007 году. Однако в 2005 проект серьезно пересмотрели, равно как и смету: цена увеличилась в девять раз, до 4,5 миллиарда, а к разработке присоединились Европейское и Канадское космические агентства. Но и это ещё не предел! К 2021 году суммарные затраты выросли до 9,8 миллиарда долларов США! При этом данная цифра также будет расти, но уже значительно медленнее — это расходы на зарплаты специалистам, которые будут работать с обсерваторией. Вклад NASA оценивается в 8,8 миллиарда долларов, вклад ESA — 850 миллионов долларов (включает стоимость запуска) вклад CSA — 165 миллионов долларов. При этом NASA получит 80% времени работы телескопа, тогда как EKA — 15%, CSA — 5%. Также к «Джеймсу Уэббу», как и к «Хабблу», смогут получить доступ любые специалисты со всего мира, причём бесплатно. Для этого нужно будет оформить специальную заявку и дождаться очереди.
Оборудование и возможности
«Джеймс Уэбб» является телескопом-рефлектором системы Корша, а его оптическая система представляет собой трехзеркальный анастигмат Корша, где главное и третичное зеркало — вогнутые, а вторичное — выпуклое. Это позволяет свести к минимуму основные оптические аберрации и расширить поле зрения телескопа. Рабочий диапазон длин волн, на которых будут вестись наблюдения, составляет от 0,6 до 28 микрометров: таким образом телескоп охватит промежуток от длинноволновой части оптического диапазона до среднего инфракрасного. Угловое разрешение «Джеймса Уэбба» будет около 0,1 угловой секунды на длине волны 2 микрометра.
Главное зеркало обсерватории — уникальная оптическая система. Оно в шесть раз больше, чем у «Хаббла» — его площадь 27 квадратных метров, и при этом легче почти на треть — 625 килограммов против почти одной тонны. Это потому, что в качестве основного материала для зеркал используется не стекло, а бериллий — очень лёгкий и прочный материал, который помимо этого еще и обладает более низким коэффициентом теплового расширения по сравнению со стеклом. Из бериллиевых сплавов делают многие детали сверхзвуковых самолётов, а в качестве материала для зеркала его уже опробовали на телескопах «Спитцер» и IRAS. Заготовки зеркал прошли испытания на устойчивость к бомбардировке микрометеороидами, которые показали, что они способны их выдерживать.
«Джеймс Уэбб» во время сборки. Видно главное и вторичные зеркала. Credit: NASA/Chris Gunn.
Сравнение главных зеркал «Спитцера», «Хаббла» и «Джеймса Уэбба». Credit: NASA/ESA/STScI/The Planetary Society.
Заготовки получили путем прессования бериллиевого порошка в формах из нержавеющей стали. Затем им придавали окончательную форму, шлифовали и полировали. Потом каждое из зеркал покрыли тонким, крайне однородным слоем золота методом парофазного осаждения в вакууме: толщина золотого покрытия составляет сто нанометров, а всего на обсерваторию ушло 48,25 грамма чистого золота, что сравнимо с массой мяча для гольфа. Золото выбрано не случайно — оно лучше отражает инфракрасное излучение и длинноволновую часть оптического излучения. Поверх золотого покрытия нанесен тонкий слой аморфного диоксида кремния для защиты от царапин. Работы над главным зеркалом были завершены в 2016 году.
Если бы зеркало «Джеймса Уэбба» было монолитным, то оно просто не поместилось под обтекатель ракеты-носителя, поэтому его сделали сегментированным. Оно состоит из 18 сегментов, каждый из которых весит 20 килограммов. Две боковые секции зеркала, из трёх сегментов каждая, складываются, что позволяет уместить его в ракету. Шестиугольная форма сегментов позволяет получить зеркало примерно круглой формы, диаметром 6,5 метров, без зазоров. Управляет положением сегментов специальная конструкция со 126 небольшими моторами.
Ещё одна особенность «Джеймса Уэбба» — пятислойный теплозащитный экран. Он необходим обсерватории для защиты оптической системы и научных приборов от излучения Солнца, Земли и Луны. Рабочая температура «Джеймса Уэбба» составляет меньше 50 кельвин (-223 °С). В развёрнутом состоянии экран похож размером на теннисный корт — 21,1 на 14,6 метра. Он состоит из пяти тонких слоев каптона, на каждый из которых нанесено покрытие из алюминия. Кроме того, первые два слоя, обращённые к Солнцу, обладают ещё и покрытием из легированного кремния. Вакуум между слоями усиливает теплоизоляцию — один толстый экран из каптона будет проводить тепло лучше, чем пять слоев, разделенных вакуумом. Моделирование показывает, что максимальная температура первого слоя будет 383 кельвин (110 °С), а минимальная температура последнего слоя составит 36 кельвин (-237 °С).
«Джеймс Уэбб» во время сборки. Виден теплозащитный экран в развёрнутом виде. Credit: NASA/Northrop Grumman/Alex Evers.
Помимо зеркала, JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:
- Камера ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Camera);
- Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (англ. Mid-Infrared Instrument, MIRI);
- Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec);
- Датчик точного наведения (англ. Fine Guidance Sensor, FGS) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (англ. Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS).
NIRCam, NIRSpec и FGS-NIRISS используют детекторы на основе теллурида кадмия и ртути, будут охлаждаться до 39 кельвин (-234 °С). MIRI использует детекторы на основе кремния, легированного мышьяком, и будет работать при температуре 7 кельвин благодаря дополнительному гелиевому криокулеру.
Всё это оборудование нужно для выполнения следующих задач:
- Найти первые галактики и звёзды, образовавшиеся после Большого взрыва.
- Определить, как галактики эволюционировали с момента их образования и до настоящего времени.
- Исследовать формирование звёзд и планетных систем вокруг них.
- Обнаружение и изучение экзопланет. Телескоп сможет напрямую регистрировать излучение от юпитероподобных экзопланет у ближайших к нам звёзд, а также обнаруживать экзопланеты транзитным методом (в момент пересечения ими диска своих звезд). При этом чувствительность телескопа позволит определять даже примерный состав их атмосферы по спектрам пропускания. В частности, данных с «Джеймса Уэбба» будет достаточно, чтобы понять, есть ли в атмосфере той или иной экзопланеты водяной пар, углекислый газ, изопрен и метан, которые могут указывать на возможность существования там жизни. Не останутся без внимания нового телескопа и протопланетные диски вокруг молодых звёзд и области звездообразования. Таким образом, используя данные «Уэбба», можно будет проследить формирование как звёзд, так и планет вокруг них.
- Наблюдения за всеми телами в Солнечной системе, которые находятся дальше от Солнца, чем Земля: планеты и их спутники, карликовые планеты, кометы и астероиды, транснептуновые объекты.
Стоит отметить, что первые наблюдения начнутся лишь через полгода, так как нужно время для охлаждения научных приборов до рабочих температур. Список первых целей содержит 286 заявок, которые в сумме займут около шести тысяч часов наблюдательного времени телескопа. В него входят уже открытые экзопланеты, диски вокруг молодых звёзд, туманности, галактики, квазары, объекты Солнечной системы.
Расчётный срок службы «Джеймса Уэбба» меньше, чем сроки его создания. Телескоп должен проработать минимум пять с половиной лет, а через примерно через 10 лет после запуска у него подойдут к концу запасы топлива, а значит он потеряет способность поддерживать устойчивую гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2. Впрочем, специалисты надеются на ещё более долгий срок работы при экономном использовании топлива. Что будет с телескопом потом, ещё не определено, но его могут, например, вывести на гелиоцентрическую орбиту, где он останется навсегда в отключённом состоянии, как это было с инфракрасным телескопом «Гершель».
Смена для «Хаббла»
Знаменитый космический телескоп «Хаббл» служит человечеству уже 31 год, но всё чаще и чаще у него возникают проблемы в работе. Только за 2021 год произошло три крупных сбоя! Сам факт того, что телескоп работает столько времени, является заслугой программы «Спейс Шаттл». Космические челноки могли доставлять к «Хабблу» астронавтов, которые производили техническое обслуживание аппарата. Но программа «Спейс Шаттл» закрыта, а «Хаббл» доживает свои последние годы. «Джеймс Уэбб» создавался как замена для «Хаббла», но астрономы надеются, что техническое состояние последнего позволит двум телескопам работать совместно хотя бы несколько лет.
Будем надеяться, что «Джеймс Уэбб» сделает немало интересных открытий, которые помогут нам ещё лучше познать Вселенную!
Источник: kosmos-x.net.ru