Телескоп JWST наконец-то летит в космос. Астрономы ждали этого 25 лет
Его 6,5-метровое зеркало покрыто золотом, он будет прикрываться от Солнца сразу пятью экранами, его первые снимки мы вряд ли увидим раньше, чем через полгода. Его полета мы ждали даже дольше, чем старта российского модуля «Наука», — ровно четверть века. Рассказываем, чем, кроме многолетней истории переносов и многомиллиардного бюджета, известен космический телескоп «Джеймс Уэбб», пуск которого только за последний месяц перенесли трижды, но в конце концов (трижды стучим по дереву) утвердили на 25 декабря 2021 года.
Разработка «Джеймса Уэбба» началась в 1996 году: Сергей Брин и Ларри Пейдж уже были знакомы, но до Google еще не додумались, «Хаббл» только начинал делать свои первые открытия, мир праздновал рождение овечки Долли, а астрофизики впервые заподозрили, что в центре Млечного Пути скрывается сверхмассивная черная дыра, за открытие которой в 2020 году вручили Нобелевскую премию по физике.
Первоначально телескоп носил короткое, но труднопроизносимое имя NGST (Next Generation Space Telescope, «Космический телескоп нового поколения»). В честь Уэбба, который в 60-е годы прошлого века руководил NASA, его переименовали в 2002 году. Предполагалось, что общая стоимость NGST составит 500 миллионов долларов, а в космос он отправится в 2007 году. Однако в 2005-м 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. Проект неоднократно критиковали за неэффективное управление, за недооценку сложности и временных затрат. Начиная с 2010 года подорожавший «Джеймс Уэбб» начал отъедать бюджеты у других проектов NASA — например у телескопа WFIRST — и получил от журнала Nature прозвище «телескоп, съевший астрономию». К 2021-му году его общая стоимость выросла почти до 10 миллиардов долларов.
При этом дату запуска, по мере того, как все больше денег пропадало в чреве проекта, все переносили и переносили — ее сдвигали аж 14 раз, что не могло не отразиться в мемах. Наиболее резонансный перенос произошел в 2018 году — тогда экспертная комиссия по разработке и испытаниям телескопа выявила целый ворох проблем: клапаны, поврежденные неверно выбранным чистящим растворителем, неправильно проведенная проводка и плохо установленные крепежные элементы теплозащитного экрана — часть из них оторвалась прямо во время вибрационных испытаний. И, конечно, в 2020 году «Уэбб» оказался в числе сотен научных проектов, чьи сроки «поехали» из-за пандемии коронавирусной инфекции.
К счастью, в конечном итоге все проблемы космического телескопа были, наконец, решены. Строительство, в котором приняли участие подрядчики из 20 стран, завершилось в 2019 году — еще почти два года телескоп проходил всевозможные испытания. В октябре 2021-го обсерваторию перевезли по океану во Французскую Гвиану на европейский космодром Куру и начали готовить к старту, который намечен на 25 декабря 2021 года.
«Хаббл» служит астрономам уже 31 год. Легендарный телескоп совершил открытия в самых разных областях астрофизики и космологии — но его возможности все же ограничены. Главное зеркало «Джеймса Уэбба» в шесть раз больше, чем у «Хаббла», приборы значительно чувствительнее, а теплозащитный экран и орбита вокруг второй точки Лагранжа позволят снизить тепловые помехи в наблюдениях до исторического минимума. «Джеймс Уэбб» сможет увидеть в сотни раз более тусклые объекты, чем способен «Хаббл»: от первых во Вселенной звезд и галактик до небольших экзопланет. Кроме того, «Хаббл» уже практически выработал свой ресурс, а орбитальные инфракрасные космические телескопы WISE, «Спитцер» и «Гершель», ранее поставлявшие астрономам данные в этом диапазоне волн, уже завершили свои научные программы.
Здесь стоит отметить, что «Джеймс Уэбб» — преемник, а не замена «Хаббла», так как в первую очередь будет изучать Вселенную в инфракрасном диапазоне волн, тогда как «Хаббл» изучает ее в основном в оптической и ультрафиолетовой части спектра.
Наземные телескопы, которые могут попытаться посоперничать с «Джеймсом Уэббом» в зоркости, есть. Уже работают VLT, обсерватория Кека, GTC, готовятся войти в строй ELT и GMT. Однако даже самые совершенные системы адаптивной оптики способны корректировать помехи, создаваемые атмосферой, лишь для небольших участков неба вблизи опорных звезд, из-за чего наблюдения с большим полем зрения будут проигрывать по детализации космическим телескопам. Кроме того, в инфракрасном диапазоне наземные телескопы сильно уступают космическим: водяной пар в атмосфере поглощает часть излучения.
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 легкий 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 самолетов, 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.
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 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 трех сегментов каждая, складываются, что позволяет уместить его в ракету. Шестиугольная форма сегментов позволяет получить зеркало примерно круглой формы, диаметром 6,5 метров, без зазоров (первоначально планировалось, что главное зеркало получится 8-метровым, но от этой идеи отказались при пересмотре проекта). Управляют положением сегментов 126 небольших моторов.
Оптическая схема обсерватории 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, от 0,6 до 28 микрометров: таким образом телескоп охватит промежуток от длинноволновой части оптического диапазона до среднего инфракрасного диапазона. Угловое разрешение «Джеймса Уэбба» будет около 0,1 угловой секунды на длине волны 2 микрометра. Это означает, что он способен детально разглядеть футбольный мяч с расстояния 550 километров.
Экран необходим обсерватории для защиты оптической системы и научных приборов от излучения Солнца, Земли и Луны. Рабочая температура «Джеймса Уэбба» меньше 50 кельвин. В развернутом 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, обращенные к Солнцу, обладают еще 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, а минимальная температура последнего слоя составит 36 кельвин.
Каждый слой экрана невероятно тонкий: толщина первого слоя составляет всего 0,05 миллиметра, а остальных — 0,025 миллиметра. Толщина алюминиевого покрытия составляет 100 нанометров, а кремниевого — 50 нанометров.
Всего их четыре:
NIRCam, NIRSpec и FGS-NIRISS используют детекторы на основе теллурида кадмия и ртути и будут охлаждаться до 39 кельвин. MIRI использует детекторы на основе кремния, легированного мышьяком, и будет работать при температуре 7 кельвин благодаря дополнительному гелиевому криокулеру.
Гало-орбита вокруг второй точки Лагранжа в системе Солнце — Земля, расположенная в 1,5 миллионах километров от Земли, является идеальным местом для работы телескопа, который надо охлаждать до низких температур. На околоземной орбите ему понадобились бы гигантские запасы хладагента, а вот на гало-орбите хватит лишь запаса гелия для инструмента MIRI, а остальные системы остынут сами — за счет излучения. Кроме того, вблизи L2 обсерватория сможет укрыться теплозащитным экраном от Солнца, Земли и Луны разом. При этом «Джеймсу Уэббу» требуется относительно мало топлива, чтобы удерживаться на орбите.
Через несколько мгновений после отключения двигателя второй ступени ракеты-носителя «Ариан-5» «Джеймс Уэбб» отделится от нее и развернет солнечную батарею. В первый день полета к гало-орбите (всего он займет 29 дней) будет произведен первый маневр по коррекции траектории с использованием двигателей обсерватории, а также развернута антенна с высоким коэффициентом усиления. В течение первой недели полета телескоп развернет 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.
Когда «Джеймс Уэбб» прибудет на свое рабочее место, то начнет трехмесячную процедуру юстировки оптической системы. После этого два месяца уйдет на калибровку научных инструментов. И лишь через полгода после запуска телескоп получит первые полноценные научные данные. Так что первых снимков придется еще подождать.
Да. Из-за конечности скорости света мы можем увидеть процессы, шедшие во Вселенной миллионы и миллиарды лет назад, наблюдая очень далекие объекты. Обсерватория должна рассмотреть самые первые признаки звездообразования, которое началось через 100–250 миллионов лет после Большого взрыва, а также первые звезды и галактики, существовавшие в эпоху Реионизации, — в том числе квазары, содержащие активные сверхмассивные черные дыры. Таким образом, можно будет проверить модели эволюции галактик.
Телескоп сможет напрямую регистрировать излучение от юпитероподобных экзопланет у ближайших к нам звезд, 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 звезд и области звездообразования. Таким образом, используя данные «Уэбба», можно будет проследить формирование как звезд, так и планет вокруг них.
«Джеймс Уэбб» будет заниматься наблюдениями всех тел в Солнечной системе, которые находятся дальше от Солнца, чем Земля. Это кометы, транснептуновые объекты, карликовые планеты, астероиды, а также Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и спутники газовых гигантов, такие как Энцелад или Европа.
Обсерватория будет наблюдать за гравитационными линзами, в роли которых могут выступать галактики и скопления галактик, что позволяет оценивать их массу и долю в ней темной материи. Кроме того, «Джеймс Уэбб» будет фиксировать очень далекие вспышки сверхновых, что позволит уточнить скорость расширения Вселенной в разное время ее существования.
Список первых целей
286 заявок, которые в сумме займут около шести тысяч часов наблюдательного времени телескопа. В него входят уже открытые экзопланеты, диски вокруг молодых звезд, очень далекие галактики, квазары и протоскопления, галактики в Местной Вселенной, объекты Солнечной системы, такие как кометы, астероиды, транснептуновые объекты,
и ледяные гиганты, а также звезды и туманности Млечного Пути и его галактик-спутников.
Расчетный срок службы «Джеймса Уэбба» меньше, чем сроки его создания. Телескоп должен проработать минимум пять с половиной лет, а через 10 лет после запуска у него подойдут к концу запасы топлива, а значит он потеряет способность поддерживать устойчивую гало-орбиту вокруг точки Лагранжа. Что будет с телескопом потом, еще не определено, но его могут, например, вывести на гелиоцентрическую орбиту, где он останется навсегда в отключенном состоянии, как это было с инфракрасным телескопом «Гершель». При этом астрономы надеются, что техническое состояние «Хаббла» позволит двум телескопам работать совместно хотя бы несколько лет.
Если хотите знать больше, то почитайте интервью, которое мы делали с заместителем научного руководителя проекта Кристин Пуллиам.
Александр Войтюк