25 грудня 2021 року після кількох затримок у космос був запущений телескоп James Webb. Широкому загалу він переважно відомий як найдорожчий інструмент, який людство коли-небудь запускало у космос. Але насправді його ціна — лише відбиток неймовірних можливостей, подарованих сучасними технологіями.
Втілення мрії про досконалий телескоп
Телескоп — це пристрій, який збирає світло з великої площі таким чином, що ми бачимо далекі об’єкти так, ніби вони розташовані значно ближче. Існує велика кількість конструкцій цих астрономічних інструментів, але в усіх них здатність наблизити об’єкт визначається діаметром дзеркала або лінзи, яка збирає світло. Тому XIX та XX століття були віками гонитви за розміром.
Але у 1992 році після запуску Hubble виявилося, що з цього правила є винятки. Бо телескоп із діаметром дзеркала всього 2,4 м давав кращі зображення віддалених об’єктів, ніж найбільший на той час наземний інструмент, у якого цей параметр складав аж 6 м. Причина була у відсутності атмосфери та сили тяжіння, які викривляли як світло, так і конструкцію самого приладу.
Попри всю свою революційність, Hubble був зовсім неідеальним телескопом. Маленький та з робочим діапазоном переважно у видимому спектрі він не міг повною мірою використати всі переваги, які надає орбітальне розташування. У космос один за одним відправлялися все досконаліші інструменти, але розробка дійсно ідеальної космічної обсерваторії почалася тільки наприкінці 1990-х.
Тривала вона понад 20 років. Адже омріяний науковцями ідеальний астрономічний інструмент не тільки мав розміри як тенісний корт, але й потребував втілення в металі технологій, які до того у космосі не використовувалися. Власне, так довго запуск телескопа відкладали саме через те, що інженери налагоджували роботу то одного дивовижного пристрою, то іншого. І їх на космічному апараті багато. Тож варто розповісти про те, як кожен із них влаштований і що може.
Сегментоване дзеркало James Webb
Найважливіша і найскладніша частина конструкції телескопа імені Джеймса Веба — його дзеркало. Саме воно забрало в інженерів найбільше нервів. Зазвичай пристрій для збирання світла на подібних інструментах має форму круглої тарілки, в центрі якої є отвір, куди, зрештою, має потрапити випромінювання.
Однак дзеркало для нового телескопа мало бути 6,5 м у діаметрі. І якби його виготовили цілісним, воно не тільки не влізло б на жодну ракету-носій, але й важило б надзвичайно багато.
Тому інженери склали «тарілку» з 18 окремих дзеркал, кожне з яких має шестигранну форму та змонтоване на спільній рамі. Таке рішення дозволило не лише зменшити вагу цього елемента конструкції, але й зробити три секції з одного боку і три секції з іншого відкидними, щоб під час старту можна було зменшити розмір телескопа.
Кожен із шестикутників виготовлений із надзвичайно легкого та міцного металу берилію та відшліфований до рівня, з яким не можуть сперечатися навіть найкращі побутові дзеркала. Завдяки цьому важить один елемент усього 20 кг при тому, що розмір його від ребра до ребра складає цілих 132 см.
Адаптивна оптика та допоміжне дзеркало
Кожне з 18 дзеркал оснащене сімома приводами. Вони діють як одне ціле та здатні зсувати дзеркало в бік на кілька міліметрів, пересувати його вперед, назад або забезпечувати його нахил. При цьому дзеркало можна позиціювати з точністю 140 нанометрів. Це приблизно у 350 разів менше, ніж товщина людського волосу.
Робиться це для того, аби плоскі дзеркала працювали разом краще, ніж дзеркало ідеальної параболічної форми. Така система називається адаптивною оптикою і дозволяє тонко підлаштовуватися під кожен об’єкт спостереження. Завдяки їй у James Webb не буває незручних положень для знімання.
Однак відбити промені від основної відбивної поверхні в одну точку мало. Треба ще спрямувати їх всередину отвору, де на них чекають основні інструменти. І цю роботу виконує вторинне дзеркало. Воно розташоване на штангах перед первинним і має діаметр 74 см, тобто приблизно як невеликий столик у кафе.
При цьому вторинне дзеркало має власну систему приводів, які здатні міняти кут його нахилу. Уся механіка первинного та вторинного дзеркал працює разом і здатна змінювати їхнє положення багато разів за секунду для отримання чіткішого зображення.
Але і це ще не все. Після того як сфокусовані промені потрапляють в отвір основного дзеркала, вони відбиваються ще двічі від поверхонь пристрою, який має позбавити зображення від викривлень. І тільки після цього світло потрапляє на основні прилади спостереження.
Камера ближнього інфрачервоного діапазону
Телескоп James Webb не працює у видимому спектрі. Точніше, він лише трохи зачіпає червону область спектра, але переважно працює у ближньому та середньому інфрачервоному діапазонах. Так зроблено через те, що довгі хвилі цієї області спектра значно менше затримуються міжзоряним пилом і дуже яскраві, але віддалені об’єкти добре видно саме на цій довжині хвиль. Решта випромінювання апаратуру не цікавить.
Основний інструмент нової космічної обсерваторії, який працює у ближньому діапазоні, називається Near-Infrared Camera (NIC). Вона являє собою набір із двох ПЗЗ-матриць, кожна для своєї довжини хвиль, набір фільтрів, комбінація яких із матрицями розширює їхні можливості, призму та набір коронографів.
Призма дозволяє камері працювати як простий спектрограф, тобто вивчати лінії поглинання та випромінювання об’єктів і визначати їхній хімічний склад. А коронограф — це така маска на камеру, якою можна закрити, наприклад, зірку та розгледіти планети навколо неї.
Що може інфрачервона камера телескопа James Webb?
Саме на NIC покладене одне з основних завдань James Webb. Ця камера має побачити перші зорі та галактики, що засяяли у Всесвіті всього за кілька десятків мільйонів років після того, як він утворився. Ми ще дуже мало знаємо про цю епоху, і за результатами спостережень можна розраховувати на нові наукові статті, що будуть починатися з «вчені розкрили таємницю».
Друге завдання, яке стоїть перед NIC — це дослідження галактик навколо нас. Для найближчих із них телескоп має визначити, із зір якого типу і якого віку вони складаються. Для тих, що трохи далі він має дослідити червоне зміщення — зсув спектральних ліній у червону область внаслідок руху цих об’єктів від нас.
У нашій Галактиці інфрачервона камера має вивчати молоді зорі. Можливо, завдяки цьому ми більше дізнаємося про те, як утворюються планетні системи, подібні до нашої. Яку James Webb, до речі, теж досліджуватиме. Тут його цікавитимуть об’єкти поясу Койпера. Хоча ми за останні 30 років уже відкрили на околицях сотні об’єктів, діаметр яких перевищує 100 км, невідомих карликових планет там може бути значно більше. І саме NIC із її неймовірною чутливістю може знайти їх навіть на відстанях, що вимірюються сотнями астрономічних одиниць.
Нарешті, саме основна камера James Webb має відстежувати гравітаційне лінзування у міжгалактичному просторі. Цей ефект проявляться у тому, що світло від якогось джерела, наприклад, галактики, може відхилятися гравітацією якогось масивного, але невидимого об’єкта. У межах нашої Галактики вчені таким чином знаходять мандрівні чорні діри. А тут вони сподіваються знайти дещо значно цікавіше — темну матерію. Ще одним завданням камери ближнього інфрачервоного діапазону стане створення карти цієї екзотичної складової Всесвіту.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine
