Когда запустят новый телескоп джеймса вебба. Сша отложили пуск телескопа джеймса вебба на целый год. Водные миры Солнечной системы

Телескоп «Джеймс Уэбб»

Космические телескопы всегда будут на острие познания космоса - им не мешает ни с ее искажениями и облачностью, ни вибрации и шумы на поверхности планеты. Именно внеземные устройства позволили получить детальные и красивые фотографии отдаленных туманностей и галактик, которые даже не видны человеческому глазу на ночном небе. Однако в 2018 году начнется новая эпоха в изучении космоса, которая отодвинет дальше видимые границы Вселенной - будет запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», рекордсмен индустрии. Причем рекорды от бьет не только по характеристикам: стоимость проекта на сегодняшний день достигает 8,8 миллиарда долларов.

Прежде чем говорить об устройстве и функционале «Джеймса Уэбба», стоить разобраться, для чего он нужен. Казалось бы, изучению Вселенной мешает всего-то одна атмосфера Земли, и можно попросту доставить телескоп с прикрученной к нему камерой на орбиту и радоваться жизни. Но при этом «Джеймса Уэбба» разрабатывают уже больше десятка лет, а итоговый бюджет еще на стадии раннего проецирования превысил стоимость его предшественника, ! Следовательно, орбитальный телескоп - это нечто более сложное, чем любительская подзорная труба на треноге, и его открытия будут в сотни раз ценнее. Но что такого особенного можно исследовать телескопом, тем более космическим?

Подняв голову к небу, каждый может увидеть звезды. Но изучение отдаленных на миллиарды километров объектов - достаточно сложная задача. Свет звезд и галактик, который движется миллионами, а то и миллиардами лет, претерпевает значительные изменения - а то и вовсе не доходит до нас. Так, пылевые облака, которые часто распространены в галактиках, способны полностью поглотить все видимое излучение звезды. Еще непрестанное расширение Вселенной приводит к света - его волны стают длиннее, изменяя диапазон в сторону красного, или же невидимого инфракрасного. А сияние даже самых больших объектов, пролетев расстояние в миллиарды световых лет, становится подобно свету карманного фонарика среди сотен прожекторов - для обнаружения сверхотдаленных галактик требуются приборы невиданной чувствительности.

Уэбб будет вглядываться в ближний и средний инфракрасный спектр, чему поспособствует его положение в точке L2 за луной и солнечные щиты, которые блокируют навязчивый свет Солнца, Земли и Луны, благоприятно влияя на охлаждение аппарата. Ученые надеются увидеть самые первые звезды Вселенной, образование и столкновение юных галактик, рождение звезд в протопланетарных системах - в которых, возможно, содержатся химические компоненты жизни.

Эти первые звезды могут хранить ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически, где и как они формируются, напрямую связано с первыми моделями темной материи - невидимой таинственной субстации, которую обнаруживают по гравитационному воздействию - а их циклы жизни и смерти вызывают обратную связь, повлиявшую на формирование первых галактик. И поскольку сверхмассивные звезды с коротким периодом жизни примерно в 30-300 раз тяжелее нашего Солнца по массе (и в миллионы раз ярче), эти первые звезды могли бы взорваться в виде сверхновых, а после коллапсировать и образовать черные дыры, которые постепенно заняли центры большинства массивных галактик.

Видеть все это - безусловно, подвиг для инструментов, которые мы делали до сих пор. Благодаря новым инструментам, а также космическим аппаратам, мы сможем увидеть еще больше.

Экскурсия по космическому телескопу Джеймса Уэбба

Уэбб выглядит как ромбовидный плот, оснащенный толстой изогнутой мачтой и парусом - если бы его строили гигантские пчелы, питающиеся бериллием. Направленный нижней частью к Солнцу, снизу «плот» состоит из щита - слоев каптона, разделенных щелями. Каждый слой разделен вакуумной щелью для эффективного охлаждения, а вместе они защищают основной отражатель и инструменты.

Каптон - это очень тонкая (представьте человеческий волос) полимерная пленка производства DuPont, которая способна поддерживать стабильные механические свойства в условиях экстремального тепла и вибрации. Если вы захотите, вы сможете вскипятить воду на одной стороне щита и сохранить азот в жидком состоянии на другой. Складывается он тоже довольно хорошо, что важно для запуска.

Судовой «киль» состоит из структуры, которая хранит солнечный щит во время запуска и солнечные батареи для обеспечения питания аппарата. В центре находится короб, который содержит все важные функции поддержки, за счет которых работает Уэбб, включая электроэнергию, управление ориентацией, связь, командование, обработку данных и тепловой контроль. Антенна украшает внешний вид короба и помогает убедиться, что все ориентировано в нужном направлении. На одном из концов теплового щита, перпендикулярно к нему, находится триммер момента, который компенсирует давление, оказываемое фотонами на аппарат.

На космической стороне щита находится «парус», гигантское зеркало Уэбба, часть оптического оснащения и короб с оборудованием. 18 шестиугольных бериллиевых секций развернутся после запуска, чтобы стать одним большим главным зеркалом на 6,5 метра в поперечнике.

Напротив этого зеркала, удерживаемого на месте тремя опорами, находится вторичное зеркало, которое фокусирует свет от главного зеркала в кормовой оптической подсистеме, клиновидной коробке, выступающей из центра основного зеркала. Эта структура отклоняет рассеянный свет и направляет свет от вторичного зеркала к инструментам, размещенным в задней части «мачты», которая также поддерживает сегментированную структуру основного зеркала.

После того как аппарат завершит свой шестимесячный период ввода в эксплуатацию, он проработает 5-10 лет, а может, и больше, в зависимости от расхода топлива, однако его местоположение будет слишком далеко, чтобы его можно было починить. На самом деле, Хаббл и являются своего рода исключениями в этом плане. Но, как у Хаббла и других общих обсерваторий, миссией Уэбба будет работа с проектами ученых всего мира, отбираемых на конкурсной основе. Затем результаты будут находить свой путь в исследованиях и данных, доступных в Интернете.

Давайте внимательнее посмотрим на инструменты, которые делают все эти исследования возможными.

Инструменты: за пределами поля зрения

Хотя он и видит что-то в визуальном диапазоне (красного и золотого света), Уэбб является фундаментально большим инфракрасным телескопом.

Его основной тепловизор, камера ближнего инфракрасного спектра NIRCam, видит в диапазоне 0,6-5,0 микрон (ближний инфракрасный). Она сможет обнаружить инфракрасный свет рождения самых первых звезд и галактик, провести обследования близлежащих галактик и местных объектов, снующих через пояс Койпера - просторов ледяных тел, вращающихся за орбитой Нептуна, в которых также умещаются Плутон и другие карликовые планеты.

NIRCam также оснащена коронографом, который позволит камере наблюдать за тонким гало, окружающим яркие звезды, блокируя их ослепительный свет - необходимый инструмент для выявления экзопланет.

Ближний инфракрасный спектрограф работает в том же диапазоне длин волн, что и NIRCam. Как и другие спектрографы, он анализирует физические свойства объектов типа звезд, разделяя излучаемый ими свет на спектры, структура которого меняется в зависимости от температуры, массы и химического состава объекта.

NIRSpec будет изучать тысячи древних галактик с таким слабым излучением, что одному спектрографу понадобятся сотни часов на эту работу. Чтобы упростить эту сложнейшую задачу, спектрограф оснащается замечательным устройством: сеткой из 62 000 отдельных жалюзи, каждое из которых размером примерно 100 на 200 микрон (шириной в несколько человеческих волос) и каждое из которых можно открывать и закрывать, блокируя свет более ярких звезд. Благодаря этому массиву, NIRSpec станет первым космическим спектрографом, который сможет наблюдать за сотней разных объектов одновременно.

Fine Guidance Sensor и бесщелевой спектрограф (FGS-NIRISS) - это, по сути, два сенсора, упакованных вместе. NIRISS включает в себя четыре режима, каждый из которых связан с разной длиной волн. Они варьируются от бесщелевой спектроскопии, которая создает спектр с помощью призмы и решетки под названием «гризма», что в сумме создает интерференционные картины, позволяющие выявить экзопланетарный свет на фоне света звезды.

FGS - это чувствительная и немигающая камера, которая делает навигационные снимки и передает их на системы ориентации, которые удерживают телескоп в правильном направлении.

Последний инструмент Уэбба расширяет ассортимент от ближнего инфракрасного до среднего инфракрасного спектра, что удобно для наблюдения за объектами с красным смещением, а также планетами, кометами, астероидами, нагретой солнцем пыли и протопланетарными дисками. Будучи камерой и спектрографом одновременно, этот инструмент MIRI покрывает широчайший диапазон длин волн, в 5-28 микрон. Его широкополосная камера сможет делать больше видов снимков, за которые мы любим Хаббл.

Также инфракрасные наблюдения имеют важные значения для понимания Вселенной. Пыль и газ могут блокировать видимый свет звезд в звездных яслях, но инфракрасный - нет. Более того, по мере расширения Вселенной и разбегания галактик, их свет «вытягивается» и становится красным смещением, уходя в длинноволновой спектр электромагнитных волн вроде инфракрасного. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и тем большее значение приобретает ее красное смещение - вот в чем ценность телескопа Уэбба.

Инфракрасный спектр также может предоставить большой объем информации об атмосферах экзопланет и о том, содержат ли они молекулярные компоненты, связанные с жизнью. На Земле мы называем водяной пар, метан и диоксид углерода «парниковыми газами», потому что они поглощают тепло. Поскольку эта тенденция справедлива везде, ученые могут использовать Уэбб для обнаружения знакомых веществ в атмосферах далеких миров, наблюдая за моделями поглощения веществ с помощью спектрографов.

Лично я пришел к выводу, что телескоп James Webb несет слишком много изобретений, слишком много риска и является проектом за гранью разумного. - таковы прямые слова руководителя независимой контрольной комиссии Тома Янга на заседании комитета по астрономии и астрофизике совета по космическим исследованиям Национальной академии наук США 29 октября. Впрочем, он тут же уточнил, что не является противником телескопа и не сомневается, что проект может быть завершен успешно. Действительно, положение дел вызывает противоречивые чувства - с одной стороны, это интереснейший проект, который должен дать науке новые возможности, с другой - превышения сроков и стоимости достигли воистину астрономических величин. В целом история проекта заставляет задуматься о своевременности воплощения технологий и критериях, когда лучше остановиться. Ну и, наконец, уроки «Джеймса Уэбба» категорически необходимо усвоить, начиная гораздо больший проект окололунной орбитальной станции.

Фото NASA/Desiree Stover

Чтобы комментарий Янга был более понятен, стоит пояснить контекст. В 2010 году, когда проект телескопа «Джеймс Уэбб» в очередной раз нарушил ранее объявленные сроки и стоимость, сенатор Барбара Микульски (Barbara Mikulski) потребовала собрать независимую контрольную комиссию. По результатам ее работы NASA реструктуризовало проект и заверило Конгресс США, что стоимость не превысит 8 миллиардов долларов, и телескоп будет запущен не позже осени 2018. Но осенью 2017 сроки съехали на 2019, а весной 2018 - на 2020. NASA, не дожидаясь сенаторского гнева, собрало новую независимую комиссию самостоятельно. В нее вошли авторитетные авиакосмические эксперты, а главой стал работавший в Lockheed Martin Том Янг.

Том Янг, фото NASA/Билл Ингалс

Комиссия завершила работу в мае 2018 и 31 числа представила отчет. В нем, опираясь на оценки трудоемкости и сроков проекта в условиях различных , рекомендовали установить дату запуска на март 2021. Результатом этого стало бы превышение потолка в 8 миллиардов, установленного Конгрессом. Также в отчете было сформулировано 32 рекомендации по улучшению процессов.

Теперь переносимся в осень 2018. 29 октября состоялось заседание комитета по астрономии и астрофизике совета по космическим исследованиям Национальной академии наук США. Нет ничего удивительного, что на нем выступал Том Янг. Портал SpaceNews приводит его слова:

Есть люди, которые поддержат JWST любой ценой, и есть те, кто поддерживают его, но возмущены увеличением сроков и стоимости. Я считаю, что проект не закроют, и политический процесс не сделает телескопу ничего плохого.

Он также добавил, что не исключает «побочного ущерба» другим программам NASA, но не стал предсказывать конкретные решения. Пояснение: сейчас в NASA и администрации США решается вопрос о задержке или отмене инфракрасного телескопа WFIRST для того, чтобы перебросить деньги на JWST.

Я знаю, что сейчас мы начинаем проекты, по сравнению с которыми «Джеймс Уэбб» будет выглядеть небольшим. И эти миссии должны учитывать опыт JWST. Думаю, что в следующем десятилетии придется поломать голову над этой проблемой.

Также Янг рассказал о сложностях убеждения NASA в валидности рекомендаций. Много усилий пришлось потратить, чтобы доказать, что NASA может и должно контролировать подготовку к полету европейской ракеты Ariane 5, на которой должен быть запущен телескоп. Первоначально NASA утверждало, что это невозможно, но представители комиссии сумели в итоге убедить агентство.

Если бы эта программа не имела высокого научного потенциала и не касалась бы вопросов лидерства США, думаю, ее бы закрыли.

Выдающийся кошмар

Первоначально телескоп «Джеймс Уэбб» должен был стоить 500 миллионов долларов и отправиться в космос в 2007 году. Но первоначальные оценки стоимости увеличились в 19 раз, а сроки съехали на 14 лет.

Иллюстрация Grant Tremblay

Вполне ожидаемо, что сейчас выбросить уже потраченные миллиарды долларов жалко, поэтому «Джеймс Уэбб» будет запущен и, надеюсь, станет отличным телескопом. Но его собратья из больших стратегических космических миссий NASA демонстрируют куда большие успехи. Например, стартовавший в этом году Parker Solar Probe обошелся всего в полтора миллиарда. А миссии меньшего калибра с небольшими бюджетами выглядят на фоне «Джеймса Уэбба» просто прекрасно - недавно начавший работать на орбите и уже нашедший первые экзопланеты TESS обошелся в 200 миллионов, при этом сэкономил 40 и завершился на два месяца раньше запланированного. Простая математика говорит, что на стоимость JWST можно было бы запустить почти 50 аппаратов с бюджетом TESS, шесть аналогов Parker Solar Probe или 3 аналога марсохода «Кьюриосити». И, подозреваю, что научной пользы в этом случае было бы больше.

Отдельный печальный юмор заключается в том, что анализ переносов сроков дает дату пуска в 2026. Расчет, конечно, несерьезный, но в районе 2021 года стоит про него вспомнить.

Иллюстрация Corey S. Powell

Итоговые размышления

Печальная история «Джеймса Уэбба» наводит на несколько выводов:

Технологические скачки лучше делать на сравнительно дешевых тестовых аппаратах. У NASA был отличный опыт зонда Deep Space 1, на котором проверили двенадцать новых технологий, успешно применявшихся потом в последующих миссиях. Зонд обошелся, кстати, всего в двести с небольшим миллионов долларов по сегодняшним ценам. У Европейского космического агентства есть наглядный пример - успех LISA Pathfinder. Этот аппарат показывает возможность создать космический детектор гравитационных волн из нескольких спутников, а то, что их конструкция не будет сильно отличаться от уже работающего аппарата, повышает точность оценки сроков и стоимости проекта. Да, конечно, возможно возражение, что от «мини-JWST» не будет особого толка, но это вопрос проектирования аппарата и придумывания для него задач. Практика - критерий истины, и только успешная реализация технологии показывает ее настоящую готовность и стоимость.

Плавное и незаметное увеличение стоимости и сроков проекта может зайти очень далеко, и необходимо иметь четкие критерии того, когда ситуация переходит грань разумного. Этот совет, кстати, универсален, тем более, что в психике человека заложено иррациональное избегание потерь (вспомните эксперимент Макса Базермана с двадцатидолларовой купюрой на аукционе). Конкретно в случае «Джеймса Уэбба» в 2010-11 годах стоимость плавно выросла с 5 до 6,5, а затем до 8 миллиардов. И к тому моменту успели потратить примерно 3 миллиарда, которые, конечно же, стало очень жалко выбрасывать. А до 2011 года развилок с аудитом и шансом на закрытие проекта не просматривается. 2006 года дает оценку стоимости 3,3 миллиарда, меньше, чем у «Хаббла», и сейчас смотрится очень наглядной иллюстрацией.

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 « » 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.

Процесс изготовления зеркала телескопа

Фрагмент зеркала телескопа

Процесс изготовления зеркала телескопа

Фрагмент зеркала телескопа

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.

Разворачиваемый щит «Джеймса Уэбба»

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:

Изображение показывает диапазон, который захватят инструменты телескопа

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.

NASA/Goddard Space Flight Center and the Advanced Visualization Laboratory at the National Center for Supercomputing Applications

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 , 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 после Большого взрыва.

Пара взаимодействующих галактик, получившая название «Антенны»

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.

Hubble Ultra Deep Field

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.

Кристина Уласович

С каждым дополнительным сантиметром апертуры, каждой дополнительной секундой времени наблюдения и каждым дополнительным атомом атмосферных помех, удаленным из поля обзора телескопа, лучше, глубже и понятнее можно будет увидеть Вселенную.

25 лет «Хабблу»

Когда телескоп «Хаббл» начал функционировать в 1990 году, он открыл новую эру в астрономии - космическую. Не нужно было больше бороться с атмосферой, беспокоиться об облаках или электромагнитных мерцаниях. Все, что требовалось, - это развернуть спутник на цель, стабилизировать его и собирать фотоны. За 25 лет космические телескопы начали охватывать весь электромагнитный спектр, что позволило впервые рассмотреть Вселенную на каждой длине волны света.

Но поскольку наше знание увеличилось, выросло и наше понимание неизвестного. Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем более глубокое прошлое мы видим: конечное количество времени с момента Большого взрыва в сочетании с конечной скоростью света обеспечивает предел того, что мы можем наблюдать. Более того, расширение самого пространства работает против нас, растягивая звезд, пока он путешествует по Вселенной к нашим глазам. Даже космический телескоп «Хаббл», дающий нам самое глубокое, самое захватывающее изображение Вселенной, которое мы когда-либо открывали, в этом отношении ограничен.

Недостатки «Хаббла»

«Хаббл» - удивительный телескоп, но он имеет ряд принципиальных ограничений:

Всего 2,4 м в диаметре, что ограничивает его
Несмотря на покрытие светоотражающими материалами, он постоянно находится под прямыми солнечными лучами, которые его нагревают. Это значит, что из-за тепловых эффектов он не может наблюдать длину волны света более 1,6 мкм.
Сочетание ограниченной светосилы и длин волн, к которым он чувствителен, означает, что телескоп может видеть галактики возрастом не старше 500 млн лет.

Эти галактики прекрасны, далеки и существовали тогда, когда Вселенной было всего около 4% от ее нынешнего возраста. Но известно, что звезды и галактики существовали еще раньше.

Чтобы увидеть должен обладать более высокой чувствительностью. Это означает переход на более длинные волны и более низкие температуры, чем у «Хаббла». Именно поэтому и создается космический телескоп Джеймса Вебба.

Перспективы для науки

James Webb Space Telescope (JWST) предназначен для преодоления именно этих ограничений: с диаметром 6,5 м телескоп позволяет собирать в 7 раз больше света, чем "Хаббл". Он открывает возможность ультра-спектроскопии высокого разрешения от 600 нм до 6 мкм (в 4 раза больше длины волны, которую способен увидеть "Хаббл"), проводить наблюдения в средней инфракрасной области спектра с более высокой чувствительностью, чем когда-либо прежде. JWST использует пассивное охлаждение до температуры поверхности Плутона и способен активно охлаждать приборы средней инфракрасной области вплоть до 7 K. Телескоп Джеймса Вебба даст возможность заниматься наукой так, как никто раньше этого не делал.

Он позволит:

наблюдать самые ранние галактики, когда-либо сформировавшиеся;
видеть сквозь нейтральный газ и зондировать первые звезды и реионизацию Вселенной;
проводить спектроскопический анализ самых первых звезд (населения III), образовавшихся после Большого взрыва;
получить удивительные сюрпризы, подобные открытию самых ранних и квазаров во Вселенной.

Уровень научных исследований JWST не похож ни на что в прошлом, и поэтому телескоп был избран в качестве флагманской миссии НАСА 2010-х годов.

Научный шедевр

С технической точки зрения, новый телескоп Джеймса Вебба представляет собой настоящее произведение искусства. Проект прошел долгий путь: были перерасходы бюджета, отставания от графика и опасность отмены проекта. После вмешательства нового руководства все изменилось. Проект вдруг заработал как часы, были выделены средства, учтены ошибки, неудачи и проблемы, и команда JWST стала укладываться во все сроки, графики и бюджетные рамки. Запуск аппарата запланирован на октябрь 2018 года на ракете «Ариан-5». Команда не только следует расписанию, у нее есть девять месяцев в запасе, чтобы учесть все непредвиденные ситуации, чтобы все было собрано и готово к этой дате.

Телескоп Джеймса Вебба состоит из 4 основных частей.

Оптический блок

Включает все зеркала, из которых наиболее эффективны восемнадцать первичных сегментированных позолоченных зеркала. Они будут использоваться для сбора далекого звездного света и фокусирования его на инструментах для анализа. Все эти зеркала в настоящее время готовы и безупречны, сделаны точно по расписанию. По окончании сборки они будут сложены в компактную конструкцию, чтобы быть запущенными на расстояние более 1 млн км от Земли до точки Лагранжа L2, а затем автоматически развернуться с образованием сотовой структуры, которая долгие годы будет собирать сверхдальний свет. Это действительно красивая вещь и успешный результат титанических усилий многих специалистов.

Камера ближнего инфракрасного диапазона

«Вебб» оборудован четырьмя научными инструментами, которые уже готовы на 100%. Основной камерой телескопа является камера ближнего ИК-диапазона: от видимого оранжевого света до глубокой инфракрасной области. Она позволит получить беспрецедентные изображения самых ранних звезд, самых молодых галактик, находящихся еще в процессе формирования, молодых звезд Млечного Пути и близлежащих галактик, сотен новых объектов в поясе Койпера. Она оптимизирована для непосредственного получения изображений планет вокруг других звезд. Это будет основная камера, используемая большинством наблюдателей.

Ближний инфракрасный спектрограф

Данный инструмент не только разделяет свет на отдельные длины волн, но способен это делать для более 100 отдельных объектов одновременно! Этот прибор будет универсальным спектрографом «Вебба», который способен работать в 3-х различных режимах спектроскопии. Он был построен но многие компоненты, включая детекторы и батарея мульти-затвора, предоставлены Центром космических полетов им. Годдарда (НАСА). Этот прибор был протестирован и готов к установке.

Средне-инфракрасный инструмент

Прибор будет использоваться для широкополосной визуализации, то есть с его помощью будут получены наиболее впечатляющие изображения со всех инструментов «Вебба». С научной точки зрения, он будет наиболее полезным при измерении протопланетных дисков вокруг молодых звезд, измерении и визуализации с беспрецедентной точностью объектов пояса Койпера и пыли, разогретой светом звезд. Он будет единственным инструментом с криогенным охлаждением до 7 К. По сравнению с космическим телескопом Spitzer, это позволит улучшить результаты в 100 раз.

Бесщелевой спектрограф ближнего ИК-диапазона (NIRISS)

Прибор позволит производить:

широкоугольную спектроскопию в ближней инфракрасной области длин волн (1,0 - 2,5 мкм);
гризм-спектроскопию одного объекта в видимом и инфракрасном диапазоне (0,6 - 3,0 мкм);
апертурно-маскирующую интерферометрию на длинах волн 3,8 - 4,8 мкм (где ожидаются первые звезды и галактики);
широкодиапазонную съемку всего поля зрения.

Этот инструмент создан Канадским космическим агентством. После прохождения криогенного тестирования он также будет готов к интеграции в приборный отсек телескопа.

Солнцезащитное устройство

Космические телескопы ими еще не оборудовались. Одной из самых пугающих сторон каждого запуска является применение совершенно нового материала. Вместо того, чтобы охлаждать весь космический аппарат активно с помощью одноразового расходуемого хладагента, телескоп Джеймса Вебба использует совершенно новую технологию - 5-слойный солнцезащитный экран, который будет развернут для отражения солнечного излучения от телескопа. Пять 25-метровых листов будут соединены титановыми стержнями и установлены после развертывания телескопа. Защита тестировалась в 2008 и 2009 годах. Полномасштабные модели, участвовавшие в лабораторных испытаниях, выполнили все, что они должны были сделать, здесь на Земле. Это красивая инновация.

К тому же это еще и невероятная концепция: не просто блокировать свет от Солнца и поместить телескоп в тени, а сделать это таким образом, чтобы все тепло излучалось в направлении, противоположном ориентации телескопа. Каждый из пяти слоев в вакууме космоса будет становится холодным по мере удаления от наружного, который будет немного теплее, чем температура поверхности Земли - около 350-360 K. Температура последнего слоя должна опуститься до 37-40 К, что холоднее, чем ночью на поверхности Плутона.

Кроме того, предприняты значительные меры предосторожности для защиты от неблагоприятной среды глубокого космоса. Одной из вещей, о которых здесь следует беспокоиться, являются крошечные камешки, размером с гальку, песчинки, пылинки и еще меньше, пролетающие через межпланетное пространство со скоростью десятков или даже сотен тысяч км/ч. Эти микрометеориты способны проделывать крошечные, микроскопические отверстия во всем, с чем они сталкиваются: космических аппаратах, костюмах космонавтов, зеркалах телескопов и многом другом. Если зеркала получат только вмятины или отверстия, что слегка уменьшит количество доступного «хорошего света», то солнечный щит может порваться от края до края, что сделает весь слой бесполезным. Для борьбы с этим явлением была использована блестящая идея.

Весь солнечный щит был разделен на участки таким образом, что, если возникнет небольшой разрыв в одном, двух или даже трех из них, слой не порвется дальше, как трещина в лобовом стекле автомобиля. Секционирование сохранит всю структуру целой, что важно для предотвращения деградации.

Космический аппарат: системы сборки и управления

Это самый обычный компонент, так как есть у всех космических телескопов и научных миссий. У JWST он уникален, но также полностью готов. Все, что осталось сделать генеральному подрядчику проекта компании Northrop Grumman, - закончить щит, собрать телескоп и проверить его. Аппарат будет готов к запуску через 2 года.

10 лет открытий

Если все пойдет правильно, человечество окажется на пороге больших научных открытий. Завеса нейтрального газа, которая до сих пор заслоняла обзор самых ранних звезд и галактик, будет устранена инфракрасными возможностями «Вебба» и его огромной светосилой. Это будет самый большой, самый чувствительный телескоп с огромным диапазоном длин волн от 0,6 до 28 микрон (человеческий глаз видит от 0,4 до 0,7 мкм) из когда-либо построенных. Ожидается, что он обеспечит десятилетие наблюдений.

Согласно НАСА, срок миссии «Вебба» составит от 5,5 до 10 лет. Он ограничен количеством топлива, которое необходимо для поддержания орбиты, и сроком службы электроники и оборудования в суровых условиях космоса. Орбитальный телескоп Джеймса Вебба будет нести запас топлива на весь 10-летний срок, а через 6 месяцев после запуска будет произведено тестирование обеспечения полета, которое гарантирует 5 лет научных работ.

Что может пойти не так?

Основным ограничивающим фактором является количество топлива на борту. Когда оно закончится, спутник будет дрейфовать в сторону от L2, выйдя на хаотическую орбиту в непосредственной близости от Земли.

Коме этого, могут произойти и другие неприятности:

деградация зеркал, которая повлияет на количество собираемого света и создаст артефакты изображения, но не повредит дальнейшей эксплуатации телескопа;
выход из строя части или всего солнечного экрана, что приведет к повышению температуры космического аппарата и сузит используемый диапазон длин волн до очень близкой инфракрасной области (2-3 мкм);
поломка системы охлаждения инструмента среднего ИК-диапазона, что сделает его непригодным для использования, но не повлияет на другие инструменты (от 0,6 до 6 мкм).

Наиболее тяжелое испытание, которое ожидает телескоп Джеймса Вебба, - запуск и выведение на заданную орбиту. Именно эти ситуации тестировались и были успешно пройдены.

Революция в науке

Если телескоп Вебба заработает в штатном режиме, топлива хватит, чтобы обеспечить его работу с 2018 по 2028 год. Кроме того, существует потенциальная возможность дозаправки, которая могла бы увеличить срок службы телескопа еще на одно десятилетие. Подобно тому, как «Хаббл» эксплуатировался в течение 25 лет, JWST мог бы обеспечить поколение революционной науки. В октябре 2018 года ракета-носитель «Ариан-5» выведет на орбиту будущее астрономии, которое после более 10 лет напряженной работы уже готово начать приносить плоды. Будущее космических телескопов почти наступило.