Могучий Джеймс Уэбб

25 декабря 2021 года после нескольких задержек в космос был запущен телескоп James Webb. Широкой общественности он преимущественно известен как самый дорогой инструмент, который человечество когда-либо запускало в космос. Но на самом деле его цена — лишь отражение невероятных возможностей, подаренных современными технологиями.

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба wp-image-81065
James Webb Space Telescope. Источник: ESA

Воплощение мечты о совершенном телескопе

Телескоп — это устройство, которое собирает свет с большой площади таким образом, что мы видим дальние объекты так, будто они находятся гораздо ближе. Существует большое количество конструкций этих астрономических инструментов, но у всех способность приблизить объект определяется диаметром зеркала или линзы, которая собирает свет. Поэтому XIX и XX столетия были веками погони за размером.

Но в 1992 году после запуска Hubble оказалось, что из этого правила есть исключение. Ибо телескоп с диаметром зеркала всего 2,4 м давал лучшие изображения удаленных объектов, чем самый большой на то время наземный инструмент, у которого этот параметр составлял 6 м. Причина была в отсутствии атмосферы и силы тяжести, искажавших как свет, так и конструкцию самого прибора.

При всей своей революционности Hubble был совсем неидеальным телескопом. Маленький и с рабочим диапазоном преимущественно в видимом спектре он не мог в полной мере использовать все преимущества, которые предоставляет орбитальное расположение. В космос один за другим отправлялись все более совершенные инструменты, но разработка действительно идеальной космической обсерватории началась только в конце 1990-х.

Один из ранних концептов космического телескопа. Источник: Webbtelescope.org

Длилась она более 20 лет. Ведь идеальный астрономический инструмент, о котором мечтали ученые, не только имел размеры как теннисный корт, но и нуждался в воплощении в металле технологий, которые до этого в космосе не использовались. Собственно, так долго запуск телескопа откладывали именно потому, что инженеры налаживали работу то одного удивительного устройства, то другого. И их на космическом аппарате много. Следовательно, стоит рассказать о том, как каждый из них устроен и что может.

Сегментированное зеркало James Webb

Важнейшая и сложная часть конструкции телескопа имени Джеймса Веба — его зеркало. Именно оно заставило инженеров больше всего нервничать. Обычно устройство для сбора света на подобных инструментах имеет форму круглой тарелки, в центре которой находится отверстие, куда в конце концов должно попасть излучение.

Однако зеркало нового телескопа должно было быть 6,5 м в диаметре. И если бы его изготовили цельным, оно не только не уместилось бы ни на одну ракету-носитель, но и весило бы очень много.

Поэтому инженеры составили «тарелку» из 18 отдельных зеркал, каждое из которых имеет шестигранную форму и смонтировано на общей раме. Такое решение позволило не только снизить вес этого элемента конструкции, но и сделать три секции с одной стороны и три секции с другой откидными, чтобы при старте можно было уменьшить размер телескопа.

Главное зеркало James Webb по сравнению с зеркалом телескопа Hubble. Источник: Webbtelescope.org

Каждый из шестиугольников изготовлен из очень легкого и прочного металла бериллия и отшлифован до уровня, с которым не могут спорить даже самые лучшие бытовые зеркала. Благодаря этому весит один элемент всего 20 кг при том, что размер его от ребра до ребра составляет целых 132 см.

Адаптивная оптика и вспомогательное зеркало

Каждое из 18 зеркал оснащено семью приводами. Они действуют как одно целое и способны сдвигать зеркало в сторону на несколько миллиметров, передвигать его вперед, назад или обеспечивать его наклон. При этом зеркало можно позиционировать с точностью 140 нанометров. Это примерно в 350 раз меньше толщины человеческого волоса.

Все это для того, чтобы плоские зеркала работали вместе лучше, чем зеркало идеальной параболической формы. Такая система называется адаптивной оптикой и позволяет тонко подстраиваться под каждый объект наблюдения. Благодаря ей у James Webb не бывает неудобных положений для съемки.

Систем зеркал телескопа James Webb
Как работают зеркала телескопа. Источник: Webbtelescope.org

Однако отбить лучи от основной отражающей поверхности в одну точку мало. Надо еще направить их внутрь отверстия, где их ждут основные инструменты. И эту работу выполняет вторичное зеркало. Оно расположено на штангах перед первичным и имеет диаметр 74 см, то есть примерно как небольшой столик в кафе.

При этом вторичное зеркало имеет собственную систему приводов, способных менять угол его наклона. Вся механика первичного и вторичного зеркал работает вместе и способна изменять их положение много раз в секунду для получения более четкого изображения.

Но и это еще не все. После того как сфокусированные лучи попадают в отверстие основного зеркала они отражаются еще дважды от поверхностей устройства, которое должно избавить изображение от искажений. И только после этого свет попадает на основные приборы наблюдения.

Камера ближнего инфракрасного диапазона

Телескоп James Webb не работает в видимом диапазоне. Точнее, он лишь чуть-чуть затрагивает красную область спектра, но преимущественно работает в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. Все из-за того, что длинные волны этой области спектра значительно меньше задерживаются межзвездной пылью и очень яркие, но отдаленные объекты хорошо видны именно на этой длине волн. Остальные излучения аппаратуру не интересуют.

Спектр, в котором работает Джеймс Уэбб. Источник: Webbtelescope.org

Основной инструмент новой космической обсерватории, работающий в ближнем диапазоне, называется Near-Infrared Camera (NIC). Она представляет собой набор из двух ПЗС-матриц, каждая для своей длины волн, набор фильтров, комбинация которых с матрицами расширяет их возможности, призму и набор коронографов.

Призма позволяет камере работать как простой спектрограф, то есть изучать линии поглощения и излучения объектов и определять их химический состав. А коронограф — это такая маска на камеру, которой можно закрыть, например, звезду и рассмотреть планеты вокруг нее.

Камера ближнего инфракрасного спектра. Источник: Webbtelescope.org

Что может инфракрасная камера телескопа James Webb?

Именно на NIC возложена одна из основных задач James Webb. Эта камера должна увидеть первые звезды и галактики, засиявшие во Вселенной всего через несколько десятков миллионов лет после того, как она образовалась. Мы еще очень мало знаем об этой эпохе, и по результатам наблюдений можно рассчитывать на новые научные статьи, которые будут начинаться с «ученые раскрыли тайну».

Вторая задача, которая стоит перед NIC, — это исследование галактик вокруг нас. Для ближайших из них телескоп должен определить, из звезд какого типа и какого возраста они состоят. Для тех, что немного дальше, он должен исследовать красное смещение — смещение спектральных линий в красную область вследствие движения этих объектов от нас.

В нашей Галактике инфракрасная камера должна изучать молодые звезды. Возможно, благодаря этому мы больше узнаем о том, как образуются планетные системы, похожие на нашу. Ее James Webb, кстати, тоже будет исследовать. Здесь его будут интересовать объекты пояса Койпера. Хотя мы за последние 30 лет уже открыли в окрестностях сотни объектов, диаметр которых превышает 100 км, неизвестных карликовых планет там может быть гораздо больше. И именно NIC с ее невероятной чувствительностью может найти их даже на расстояниях, измеряемых сотнями астрономических единиц.

Эффект гравитационного линзирования на дальних галактиках
Эффект гравитационного линзирования на дальних галактиках. Источник: Live Science

Наконец, именно основная камера James Webb должна отслеживать гравитационное линзирование в межгалактическом пространстве. Этот эффект проявляется в том, что свет от какого-то источника, например, галактики, может отклоняться гравитацией какого-то массивного, но невидимого объекта. В пределах нашей Галактики ученые таким образом находят странствующие черные дыры. А здесь они надеются найти что-то гораздо интереснее — темную материю. Еще одной задачей камеры ближнего инфракрасного диапазона станет создание карты этой экзотической составляющей Вселенной.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine