Уже понад рік у в космосі працює телескоп James Webb. І увесь цей час він жодної секунди не залишається без роботи, виконуючи дослідження, які не зміг би провести жоден інший інструмент. Усе це стало можливим не лише завдяки розміру його дзеркала, а й унікальним технологіям, які застосовувалися у конструкції цієї орбітальної обсерваторії.
Втілення мрії про досконалий телескоп
Ідеальний телескоп повинен насамперед мати гігантські розміри. Протягом багатьох століть ця істина лишалася незмінною, адже працює цей інструмент, збираючи за допомогою дзеркал чи лінз світло з великої поверхні. Однак уже в XX столітті виявилося, що земна атмосфера викликає викривлення, які перекривають точність найпотужніших приладів.
Тому з’явилася ідея підняти телескоп на орбіту. Втіленням її стали численні апарати, запуск яких здійснювався, починаючи з 1966 року. Проте всі вони, включно зі славетною обсерваторією Hubble, були все ж занадто маленькими й працювали у занадто вузькому спектрі, аби задовольнити астрономів. Тож почалася розробка інструмента, який би відповідав усім викликам сучасної науки про Всесвіт.
Тривала вона понад 20 років. Адже омріяний науковцями ідеальний астрономічний інструмент не тільки мав розміри як тенісний корт, а 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.
Сегментоване дзеркало James Webb
Найважливіша і найскладніша частина конструкції телескопа імені Джеймса Вебба — 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 помістилося б на жодну ракету-носій, а 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, а й зробити відкидними три секції з одного боку і три — з іншого, 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 у бік на кілька міліметрів, пересувати його вперед, назад або забезпечувати його нахил. При цьому окремий фрагмент 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.
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.
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. Коли 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 спостерігає Всесвіт 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.
Інструмент нової космічної обсерваторії, який працює у ближньому діапазоні, називається Near-Infrared Camera (NIC). Він являє собою набір із двох ПЗЗ-матриць, кожна для своєї довжини хвиль, кілька 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, зорю та розгледіти планети навколо неї.
Що може інфрачервона камера телескопа James Webb
Саме на NIC покладене одне з основних завдань James Webb. Ця камера побачила перші зорі та галактики у Всесвіті всього за кілька десятків мільйонів років після того, як він утворився. І ці відкриття вже викликали масу суперечок щодо того, як розуміти знімки. Подальші дослідження мають дати вченим більше інформації.
Друге завдання, яке стоїть перед NIC, — це дослідження галактик навколо нас. Для найближчих із них телескоп визначає, із зір якого типу і якого віку вони складаються. Для тих, що трохи далі, він досліджує червоне зміщення — зсув спектральних ліній у червону область внаслідок руху цих об’єктів від нас.
У нашій Галактиці інфрачервона камера вивчає молоді зорі та протопланетні диски. Можливо, завдяки цьому ми більше дізнаємося про те, як утворюються планетні системи, подібні до нашої. Її James Webb, до речі, теж досліджуватиме. Тут його цікавитимуть об’єкти поясу Койпера. Хоча ми за останні 30 років уже відкрили на околицях сотні тіл, діаметр яких перевищує 100 км, невідомих карликових планет там може бути значно більше. І саме NIC з її неймовірною чутливістю може знайти їх навіть на відстанях, що вимірюються сотнями астрономічних одиниць.
Нарешті, саме основна камера James Webb відстежує 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. Таким чином телескоп вже знайшов не тільки найвіддаленіші галактики, а й окремі наднові, що світять нам крізь Всесвіт.
Спектрограф NIRSpec і пошук інопланетян
Хоча камера NIC і може виконувати роль спектрографа, на борту космічної обсерваторії James Webb є прилад, який має значно більше підстав так називатися. Йдеться про Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Для того, щоб зрозуміти, що собою являє це диво інженерної думки, треба знати, як зазвичай отримують спектри астрономічних об’єктів.
Для цього світло зорі пропускають крізь вузьку щілину, щоб утворився промінь. Далі цей промінь пропускають крізь призму й отримують «райдугу», в якій і роздивляються лінії. Але для цього джерело світла якось треба виокремити від решти. Поле зору охоплює одночасно сотні зір, і навестися окремо на кожну з них часу немає. Проте інженери владнали це.
NIRSpec складається із сотні окремих затворів, кожен з яких можна відкривати незалежно від решти. Завдяки цьому можна практично одночасно отримувати сотні спектрів зір у високій якості.
Вчені знайшли для NIRSpec не менш чудове застосування. Саме цей пристрій шукатиме ознаки життя у космосі, переглядаючи спектри зір, у яких відкриті екзопланети. Якщо одна з них приходитиме між зорею і нами, то ми зможемо побачити спектр променів, що проходять крізь атмосферу. І у цьому спектрі вчені шукатимуть лінії, характерні для певних речовин.
Ці речовини називаються біомаркерами, бо вони або свідчать про придатність планети до життя, схожого на земне, або самі є його продуктами. До перших належать кисень, азот та вода. Щодо других є розбіжності, бо, наприклад, метан та фосфін хоч і вважаються біомаркерами, але можуть утворюватися і без участі живих організмів.
Є і складніші біомаркери, такі як амінокислоти чи пептиди. Вони значно надійніше свідчать про наявність життя на планеті, бо в абіотичних процесах зазвичай не утворюються. І ось за ними James Webb полюватиме особливо ретельно. Зрештою, відкрито вже майже 10 тис. планет, і, спостерігаючи їх за допомогою NIRSpec, обсерваторія хоча б на одній та й знайде сліди примітивного життя. А можливо, таких планет виявиться сотні, й ми зможемо значно впевненіше сказати, наскільки це явище розповсюджене у Всесвіті.
Mid-Infrared Instrument
Ще одним приладом, який встановлений на борту орбітальної обсерваторії, є Mid-Infrared Instrument, або MIRI. Середній інфрачервоний діапазон — це коротші хвилі. Зображення у них не такі чіткі, як у NIC, зате дозволяють бачити об’єкти, випромінення яких слабше.
В іншому ж ця камера працює аналогічно до NIC. Вона може робити знімки об’єктів через фільтри, проводити спектроскопію та використовувати коронографи. Завданнями цього приладу є визначення червоного зміщення далеких галактик, вивчення формування віддалених зір, об’єктів поясу Койпера та комет. Цікаво, що технічні рішення для цього приладу були в оригіналі розроблені компанією Raytheon для протитанкового комплексу Javelin.
Система точного наведення на об’єкти телескопа James Webb
Але для того, аби щось розгледіти, треба спочатку знати, куди дивитися. Ця задача в конструкції телескопа покладена на датчик точного наведення FGS. По суті, це окремий маленький телескоп із приєднаним до нього комп’ютером. У його пам’яті містяться спектри різних зір.
FGS дивиться на навколишні зорі, порівнює їхні спектри з тими, що зберігаються у його пам’яті, та визначає, у який же саме бік зараз спрямований телескоп. Відповідно до цього приймається рішення, що ж наразі мають вивчати його основні інструменти.
Тепловий щит James Webb
Робота телескопа в інфрачервоному спектрі означає, що він може працювати тільки за дуже низьких температур. MIRI для роботи взагалі необхідно 7 градусів за Кельвіном. Звичайно, що на телескопі є система охолодження, але основний спосіб, у який він бережеться від осліплення сонячним випромінюванням, — сонячний екран.
Він складається з п’яти великих полотен полімеру, вкритого дзеркальним шаром. Кожне з них має розмір 21,1х14,6 м. Полімерні шари натягнуті на раму один за одним і завдяки цьому повністю закривають усе велетенське дзеркало James Webb від сонячних променів.
Старт телескопа та початок його роботи
У 1997 році, коли проєкт створення телескопа James Webb тільки розпочинався, його запуск планувався на 2007 рік. Ціна проєкту тоді оцінювалася у 500 млн доларів. Однак технічні труднощі виявилися значно складнішими, ніж вважалося спочатку, і вже до 2000-го ціна виросла більше ніж утричі.
Але і це не допомогло вберегти проєкт від гальмування. Вже 2005-го при витратах у три мільярди доларів стало зрозуміло, що раніше 2013 року апарат на орбіту не запустять. Потім строки неодноразово зсувалися, а ціна зростала.
Коли 2021 року James Webb все ж відправили у космос, його ціна склала вже 10 млрд доларів, що приблизно у 20 разів більше, ніж планувалося спочатку. Та, попри це, проєкт все ж завершився успішно. Після виведення на орбіту телескоп попрямував до точки L2.
Точками Лагранжа називаються такі точки, де сили тяжіння двох тіл, наприклад, Землі та Сонця, врівноважують одна одну. Через це апарату не треба витрачати паливо для корекції орбіти. Точка L2 розташована позаду нашої планети й завжди закрита нею від Сонця. Саме там телескоп і працює зараз.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
