Что увидит сменщик «Хаббла»?

Идея строительства нового мощного космического телескопа возникла почти 20 лет назад, в 1996 году когда американские астрономы выпустили доклад HST and Beyond, в котором обсуждался вопрос — куда же должна двигаться астрономия дальше. Незадолго до этого, в 1995 году была открыта первая экзопланета рядом со звездой, похожей на наше Солнце. Это взбудоражило научное сообщество — ведь появился шанс, что где-то может существовать мир, напоминающий Землю — поэтому исследователи попросили NASA построить телескоп, который будет пригоден в том числе для поиска и изучения экзопланет. Именно здесь берет начало история «Джеймса Уэбба». Запуск этого телескопа постоянно откладывался (первоначально планировалось отправить его в космос еще в 2011 году), но теперь он, кажется, выходит на финишную прямую. Редакция N+1 попыталась разобраться, что астрономы рассчитывают узнать с помощью «Уэбба», и поговорила с теми, кто создает этот инструмент.

Название «Джеймс Уэбб» телескопу было присвоено в 2002 году, до этого он назывался Next Generation Space Telescope («Космический телескоп нового поколения») или сокращенно NGST, поскольку новый инструмент должен продолжить исследования, начатые «Хабблом». Если «Хаббл» исследует Вселенную преимущественно в оптическом диапазоне, захватывая лишь ближний инфракрасный и ультрафиолетовый диапазон, которые граничат с видимым излучением, то «Джеймс Уэбб» сконцентрируется на инфракрасной части спектра, где видно более древние и более холодные объекты. Кроме того, выражение «новое поколение» указывает на продвинутые технологии и инженерные решения, которые будут использоваться в телескопе.

Пожалуй, самое нестандартное и сложное из них — это главное зеркало «Джеймса Уэбба» диаметром 6,5 метра. Ученые не стали создавать увеличенную версию зеркала «Хаббла», потому что оно весило бы слишком много, и придумали изящный выход из ситуации: они решили собрать зеркало из 18 отдельных сегментов. Для них использовался легкий и прочный металл бериллий, на который был нанесен тонкий слой золота. В итоге зеркало весит 705 килограммов, в то время как его площадь составляет 25 квадратных метров. Зеркало «Хаббла» весит 828 килограммов при площади 4,5 квадратных метра.

Другой важный компонент телескопа, который в последнее время доставляет немало хлопот инженерам — развертываемый теплозащитный экран, необходимый для защиты приборов «Джеймса Уэбба» от перегрева. На околоземной орбите под прямыми лучами Солнца предметы могут разогреваться до 121 градуса Цельсия. Приборы «Джеймса Уэбба» предназначены для работы в условиях достаточно низких температур, поэтому и понадобился теплозащитный экран, закрывающий их от Солнца.

По размеру он сравним с теннисным кортом, 21 x 14 метров, поэтому отправить его в точку Лагранжа L2 (именно там будет работать телескоп) в развернутом виде невозможно. Здесь и начинаются основные трудности — как доставить щит к пункту назначения так, чтобы он не повредился? Самым логичным решением  оказалось сложить его на время полета, а потом развернуть, когда «Джеймс Уэбб» будет в рабочей точке.

Внешняя сторона щита, где находится антенна, бортовой компьютер, гироскопы и солнечная панель, разогреется, как ожидают ученые, до 85 градусов Цельсия. Зато на «ночной» стороне, где находятся основные научные приборы, будет морозно: около 233 градусов ниже нуля. Обеспечивать теплоизоляцию будут пять слоев щита — каждый холоднее предыдущего.

Какие же научные приборы требуется так тщательно укрывать от Солнца? Всего их четыре: камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, прибор для работы в среднем ИК-диапазоне MIRI, спектрограф ближнего ИК-диапазона NIRSpec и система FGS/NIRISS. На картинке ниже можно наглядно увидеть, в каком «свете» они будут видеть Вселенную:

С помощью научных приборов ученые надеются ответить на многие фундаментальные вопросы. В первую очередь, они касаются экзопланет.

Несмотря на то, что на сегодняшний день телескоп «Кеплер» открыл более 2,5 тысячи экзопланет, оценки плотности существуют лишь для нескольких сотен. Меж тем, эти оценки позволяют нам понять, к какому типу принадлежит планета. Если у нее низкая плотность — очевидно, перед нами газовый гигант. Если же небесное тело имеет высокую плотность, то, скорее всего, это каменистая планета, напоминающая Землю или Марс. Астрономы надеются, что «Джеймс Уэбб» поможет собрать больше данных о массах и диаметрах планет, что поможет вычислить их плотность и определить их тип.

Другой важный вопрос касается атмосфер экзопланет. «Хаббл» и «Спитцер» собрали данные о газовых оболочках примерно ста планет. Инструменты «Джеймса Уэбба» позволят увеличить это число, как минимум, в три раза. Благодаря научным приборам и разным режимам наблюдений, астрономы смогут определить присутствие огромного числа веществ, в том числе воды, метана и углекислого газа — причем не только на крупных планетах, но и на планетах земного типа. Одной из наблюдательных целей станет система TRAPPIST-1, где находится сразу семь землеподобных планет.

Больше всего результатов ожидается для молодых, только сформировавшихся юпитеров, которые все еще излучают в инфракрасном диапазоне. В частности, в Солнечной системе по мере уменьшения массы газовых гигантов, содержание в них металлов (элементов тяжелее водорода и гелия) возрастает. «Хаббл» в свое время показал, что не все планетные системы подчиняются этому закону, однако статистически достоверной выборки пока что нет — ее получит «Джеймс Уэбб». Кроме того, ожидается, что телескоп также изучит субнептуны и суперземли.

Другой важной целью телескопа станут древние галактики. Сегодня мы уже достаточно много знаем об окрестных галактиках, но все еще очень мало о тех, что появились в очень молодой Вселенной. «Хаббл» может видеть Вселенную такой, какой она была спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва, а обсерватория «Планк» наблюдала космическое микроволновое излучение, которое возникло спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва. «Джеймсу Уэббу» предстоит заполнить пробел между ними и выяснить, как выглядели галактики в первые 3 процента космической истории.

Сейчас астрономы наблюдают прямую зависимость между размером галактики и ее возрастом — чем старше Вселенная, тем больше в ней маленьких галактик. Однако этот тренд вряд ли сохранится, и ученые надеются определить некоторую «поворотную точку», найти нижний предел размера галактик. Таким образом, астрономы хотят ответить на вопрос, когда возникли первые галактики.

Отдельным пунктом стоит изучение молекулярных облаков и протопланетных дисков. В прошлом «Спитцер» мог заглянуть лишь в ближайшие окрестности Солнечной системы. «Уэбб» намного более чувствителен и фактически сможет увидеть другой край Млечного пути, равно как и его центр.

Также «Джеймс Уэбб» будет искать гипотетические звезды населения III — это очень тяжелые объекты, в которых почти нет элементов тяжелее гелия, водорода и лития. Предполагается, что звезды этого типа должны составлять первое поколение звезд после Большого взрыва.

Сегодня запуск «Джеймса Уэбба» намечен на июнь 2019 года. Изначально предполагалось, что телескоп отправят в космос ранней весной, однако миссия была отложена на несколько месяцев из-за технических проблем. Кристин Пуллиам (Christine Pulliam), заместитель научного руководителя проекта, ответила на вопросы N+1 о самом телескопе и сложностях при его строительстве.

Наверное, я  задам очевидный вопрос, но что делает «Джеймс Уэбб» уникальным?

«Уэбб» позволит нам увидеть Вселенную такой, какой мы никогда не видели ее раньше. Он будет вести наблюдения в инфракрасном диапазоне, то есть на других длинах волн, нежели «Хаббл», сможет заглянуть дальше, чем «Спитцер», и в другие области, нежели «Гершель». Он заполнит пробелы и поможет создать целостную картину Вселенной. Обширные наблюдения в ИК-диапазоне помогут нам увидеть зарождающиеся звезды и планеты. Нам наконец-то откроются первые галактики, и это поможет сложить воедино всю космологическую историю. Некоторые любят говорить, что телескопы — это машины времени, и это очень хорошее выражение. Когда мы смотрим в космос, мы видим прошлое, потому что свету требуется время, чтобы достигнуть Земли. Мы увидим Вселенную, когда она была крайне молодой — и это поможет понять, как появились мы, и как работает Вселенная. Если говорить о чем-то более близком человечеству, то мы увидим, как возникали звезды, как формировались экзопланеты, и мы сможем даже охарактеризовать их атмосферы.

Да, вопрос об атмосферах далеких планет волнует очень многих. Какие результаты вы ожидаете получить?

У нас были миссии вроде «Кеплера», которые занимались поиском кандидатов. Благодаря им, сегодня нам известны тысячи экзопланет. Теперь же «Джеймс Уэбб» будет смотреть на уже известные объекты и исследовать их атмосферы. В частности это касается планет-гигантов — небесных тел по размеру находящихся между нептунами и супер-юпитерами. Нам крайне важно понять, как такие объекты формируются, как они эволюционируют и на что похожи системы, в состав которых они входят. Например, если мы видим систему из нескольких планет, нам важно определить, может ли там быть вода и где ее искать.

Фактически определить зону обитаемости?

Именно. Для разных звезд она будет разной. «Джеймс Уэбб» поможет нам охарактеризовать далекие планеты и понять, насколько уникален наш дом.

Ожидается, что миссия телескопа продлится около десяти лет. Однако каковы реальные прогнозы? Все мы помним «Вояджеры», которые до сих пор находятся в рабочем состоянии и отправляют данные на Землю, хотя этого никто не планировал.

Номинальный срок службы инструмента — пять лет, и мы надеемся, что сможет столько проработать. Если давать более смелые оценки, то это десять лет. Мы ограничены запасом охладителя, который должен поддерживать системы телескопа в рабочем состоянии. Я не думаю, что «Джеймс Уэбб» сможет, как и «Хаббл», протянуть 29 лет.

Да, «Джеймс Уэбб» будет слишком далеко от Земли, во второй точке Лагранжа. Как вы думаете, позволят ли нам технологии в будущем долететь до телескопа и починить его в случае поломки?

Такая возможность не исключается. На этот случай на телескопе есть крепление для роботизированного манипулятора, который может быть установлен на «Уэббе». Тем не менее, с самого начала обслуживание телескопа не предусматривалось, поэтому на это не стоит возлагать слишком много надежд. С учетом того, что инструмент будет работать всего 5-10 лет, мы вряд ли успеем шагнуть так далеко вперед, чтобы отправить к нему космический корабль.

Сможет ли «Джеймс Уэбб» работать в паре с другими космическими аппаратами? Например, Космический и астрономический центр Университета Колорадо предлагают создать внешний коронограф для него. В 2013 году они говорили о возможной совместной работе с телескопом — есть ли такие планы в действительности?

Я бы не сказала, что в данный момент мы рассматриваем такую возможность. Если я не ошибаюсь, то за этот проект отвечает Уэбб Кэш, но есть и другой проект звездного щита, а также несколько других групп, которые занимаются созданием похожих инструментов. Никаких конкретных планов относительно того, чтобы связать «Джеймс Уэбб» с другим инструментом, сегодня нет, хотя гипотетически он может работать совместно с любой космической обсерваторией.

А как планируется распределять время наблюдений?

Сейчас астрономы со всего мира присылают нам свои заявки, и после того, как они пройдут рецензирование, мы получим приблизительный план. Существует «гарантированное время для наблюдений», которое закреплено за учеными, помогающими в проектировании и создании «Джеймса Уэбба» сегодня, что-то вроде благодарности за их работу. Эти исследователи будут изучать галактики, экзопланеты, например планеты системы TRAPPIST. Отчасти мы сами выбираем цели, чтобы проверить возможности «Джеймса Уэба». При создании телескопа мы только начинали задумываться об экзопланетах, но теперь — это очень перспективная область в астрономии, и мы должны понять, как использовать «Джеймс Уэбб» для изучения планет за пределами Солнечной системы. Как раз этим и займутся команды, которые будут проводить наблюдения в первый год. Осенью уже станет известно, что мы «увидим» в первый год.

Почему сроки запуска вновь сдвигают? Ходят слухи о финансовых проблемах и о проблемах с системой зеркал.

Дело в том, что «Уэбб» — очень непростой телескоп, и мы впервые решаем столь сложную задачу. В аппарате есть несколько главных компонентов: зеркала, инструменты, огромный щит и охлаждающие механизмы. Все эти элементы надо построить и протестировать, совместить, протестировать снова — само собой, это требует времени. Также надо убедиться, что мы все сделали правильно, что все детали подходят друг к другу, что запуск будет удачным, а все элементы развернутся правильно. Задержки происходят из-за большого количества этапов и необходимости тщательной проверки.

То есть сейчас вы проводили тесты, и поняли, что не укладываетесь в изначальное расписание?

Да. На самом деле, у нас есть еще много резервного времени. Мы изначально знали, что все будет в порядке, но допускали, что подготовка может по некоторым причинам затянуться. Кроме того, когда мы будем готовы запускать аппарат, нам также потребуется договориться о конкретной дате с ESA, которому принадлежит ракета «Ариан». Поэтому мы подумали — куда торопиться?

Расскажите, какие тесты должен пройти и проходит телескоп?

Совсем недавно завершилась проверка системы OTISS (Optical Telescope and Instrument Assembly) в космическом центре имени Линдона Джонсона. Ее охладили до крайне низких рабочих температур, протестировали всю оптику и сам телескоп. Недавно ученые вынули систему из охлаждающей камеры, нагрели ее снова и теперь OTISS отправится в Калифорнию, в Космический парк на пляже Редандо, где ее соединят с солнцезащитным щитом. Кроме того, сейчас ведется работа и над самим щитом, специалисты проводят многочисленные проверки. Когда все элементы будут прикреплены к щиту, его будут складывать и раскладывать, чтобы убедиться, что он работает без нареканий, а затем будут проведены и другие тесты, включая тест на вибрацию, с которой телескоп столкнется во время полета на ракете. Запуск в космос — серьезное испытание для аппарата, поэтому инженеры хотят быть уверены, что все его компоненты переживут полет. Затем исследователи подготовят «Джеймс Уэбб» к запуску, погрузят на баржу, и отправят его на космодром во Французской Гвиане где-то в начале 2019 года.

А что насчет остальных инструментов? Насколько мне известно, вы упомянули не все. Они уже прошли предварительные проверки?

Да, они уже прошли все тесты и сейчас уже установлены на телескоп. Это отдельные приборы, которые будут проводить многочисленные научные исследования — спектрограф, изучающий небо в среднем ИК-диапазоне, камера. Кроме того, у всех инструментов разные режимы, поэтому надо проверить, действительно ли они работают так, как мы задумали. Это очень важно — необходимо «тряхнуть» прибор и убедиться, что угол зрения остался тем же.

Когда нам следует ждать первых результатов?

Скорее всего, первые данные придут только в конце будущего года или в начале 2020 года. Между запуском и получением первой информации пройдет где-то полгода. В течение этого времени телескоп будет разворачиваться, и мы убедимся, что он раскрылся и работает нормально. Затем приборам нужно будет охладиться, это займет достаточно много времени. На Земле «Джеймс Уэбб» находится при комнатной температуре, но когда мы запустим его в космос, необходимо будет дождаться, когда его инструменты достигнут рабочих температур. Затем мы введем их в эксплуатацию: сейчас уже запланирован ряд «тренировочных упражнений» — несколько плановых наблюдений и проверок разных режимов работы, которые позволят убедиться, что все функционирует, как и должно. Так как у нас нет пусковой даты, и, как следствие, нам неизвестно, что попадет в поле зрения телескопа, конкретный объект для наблюдений не выбран. Скорее всего, мы будем калибровать приборы телескопа на какой-нибудь далекой звезде. Все это внутренние процессы — сначала предстоит убедиться, что мы вообще можем что-либо увидеть.

Однако после того, как мы удостоверимся, что все инструменты работают, мы приступим непосредственно к научным экспериментам. Команда ученых, которая специализируется на снимках, определит, какие цели будут выглядеть по-настоящему завораживающими и зацепят публику. Работа будет выполнена теми же художниками, которые работали со снимками «Хаббла» — это люди с многолетним опытом обработки астрономических изображений. Кроме того, будут проводиться дополнительные тесты оборудования.

После того, как выйдут первые изображения, у нас будет год с небольшим для научных наблюдений. Они включают уже известные программы по изучению очень далеких галактик, квазаров, экзопланет и Юпитера. В целом, астрономы будут наблюдать все, что только возможно — начиная с областей активного звездообразования и заканчивая льдом в протопланетных дисках. Эти исследования важны для всех нас: все остальное научное сообщество сможет увидеть результаты других команд и понять, куда им следует двигаться дальше.