Телескоп James Webb уже больше года в космосе. И все это время он ни секунды не остается без работы, выполняя исследования, которые не смог бы провести ни один другой инструмент. Все это стало возможным благодаря не только размеру его зеркала, но и уникальным технологиям, которые применялись в конструкции этой орбитальной обсерватории.
Воплощение мечты о совершенном телескопе
Идеальный телескоп должен в первую очередь иметь гигантские размеры. На протяжении многих веков эта истина оставалась неизменной, ведь работает этот инструмент, собирая с помощью зеркал или линз свет с большой поверхности. Однако уже в XX веке оказалось, что земная атмосфера вызывает искажения, которые перекрывают точность мощных приборов.
Поэтому появилась идея поднять телескоп на орбиту. Воплощением ее стали многочисленные аппараты, запуск которых осуществлялся, начиная с 1966 года. Однако все они, включая знаменитую обсерваторию Hubble, были все же слишком маленькими и работали в слишком узком спектре, чтобы удовлетворить астрономов. Поэтому началась разработка инструмента, который бы отвечал всем вызовам современной науки о Вселенной.
Длилась она более 20 лет. Ведь идеальный астрономический инструмент не только имел размеры как теннисный корт, но и требовал воплощения в металле технологий, которые до того в космосе не использовались. Собственно, так долго запуск телескопа откладывали именно потому, что инженеры налаживали работу то одного удивительного прибора, то другого. И их на космическом аппарате много.
Сегментированное зеркало James Webb
Самая важная и самая сложная часть конструкции телескопа имени Джеймса Вебба — его зеркало. Именно оно забрало у инженеров больше всего нервов. Обычно устройство для сбора света на подобных инструментах имеет форму круглой тарелки, в центре которой есть отверстие, куда, в конце концов, должно попасть излучение.
Однако зеркало для нового телескопа должно было быть 6,5 м в диаметре. И если бы его изготовили цельным, оно не только не поместилось бы ни на одну ракету-носитель, но и весило бы чрезвычайно 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 уменьшить вес этого элемента конструкции, но и сделать откидными три секции с одной стороны и три — с другой, чтобы во время старта можно было уменьшить размер телескопа.
Каждый из шестиугольников изготовлен из чрезвычайно легкого и прочного металла бериллия и отшлифован до уровня, с которым не могут спорить даже 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 отдельный фрагмент можно позиционировать с точностью 140 нанометров. Это примерно в 350 раз меньше, чем толщина человеческого волоса.
Делается 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.
Однако отразить 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.
При этом у вторичного зеркала есть собственная система приводов, которые способны менять угол его наклона. Вся механика первичного и вторичного зеркал работает в связке и способна менять их положение много раз за секунду для получения более четкого изображения.
Но и это еще не все. Когда 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 спектре. Точнее, он лишь немного затрагивает красную область спектра, но преимущественно наблюдает Вселенную в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. Так сделано потому, что длинные волны этой области спектра значительно меньше задерживаются межзвездной пылью и очень яркие, но удаленные объекты хорошо видны именно на этой длине волн.
Инструмент новой космической обсерватории, работающий в ближнем диапазоне, называется Near-Infrared Camera (NIC). Он представляет собой набор из двух ПЗС-матриц, каждая для своей длины волн, несколько 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 разглядеть планеты вокруг нее.
Что может инфракрасная камера телескопа James Webb
Именно на NIC возложена одна из основных задач James Webb. Эта камера увидела первые звезды и галактики во Вселенной всего через несколько десятков миллионов лет после того, как она образовалась. И эти открытия уже вызвали массу споров относительно того, как понимать снимки. Дальнейшие исследования должны дать ученым больше информации.
Вторая задача, которая стоит перед NIC, — это исследование галактик вокруг нас. Для ближайших из них телескоп определяет, из звезд какого типа и какого возраста они состоят. Для тех, что чуть дальше, он исследует красное смещение — смещение спектральных линий в красную область вследствие движения этих объектов от нас.
В нашей Галактике инфракрасная камера изучает молодые звезды и протопланетные диски. Возможно, благодаря этому мы больше узнаем о том, как образуются планетные системы, подобные нашей. 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 тел, диаметр которых превышает 100 км, неизвестных карликовых планет там может быть значительно больше. И именно NIC с ее невероятной чувствительностью может найти их даже на расстояниях, измеряемых сотнями астрономических единиц.
Наконец, именно основная камера James Webb отслеживает 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. Таким образом телескоп уже нашел не только самые отдаленные галактики, но и отдельные сверхновые, которые светят нам сквозь Вселенную.
Спектрограф NIRSpec и поиск инопланетян
Хотя камера NIC и может выполнять роль спектрографа, на борту космической обсерватории James Webb есть прибор, который имеет гораздо больше оснований так называться. Речь идет о Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Чтобы представить, что собой представляет это чудо инженерной мысли, надо понимать, как обычно получают спектры астрономических объектов.
Для этого свет звезды пропускают сквозь узкую щель, чтобы образовался луч. Далее этот луч пропускают сквозь призму и получают «радугу», в которой и рассматривают линии. Но для этого источник света как-то надо отделить от остальных. Поле зрения охватывает одновременно сотни звезд, и навестись отдельно на каждую из них времени нет.
Инженеры решили это следующим образом. NIRSpec состоит из сотни отдельных затворов, каждый из которых можно открывать независимо от остальных. Благодаря этому можно практически одновременно получать сотни спектров звезд в высоком качестве.
Ученые нашли для NIRSpec не менее замечательное применение. Именно это устройство будет искать признаки жизни в космосе, просматривая спектры звезд, у которых открыты экзопланеты. Если одна из них будет приходить между звездой и нами, то мы сможем увидеть спектр лучей, проходящих сквозь атмосферу. И в этом спектре ученые будут искать линии, характерные для определенных веществ.
Эти вещества называются биомаркерами, потому что они либо свидетельствуют о пригодности планеты к жизни, похожей на земную, либо сами являются ее продуктами. К первым относятся кислород, азот и вода. Относительно вторых есть разногласия, потому что, например, метан и фосфин хоть и считаются биомаркерами, но могут образовываться и без участия живых организмов.
Есть и более сложные биомаркеры, такие как аминокислоты или пептиды. Они значительно надежнее свидетельствуют о наличии жизни на планете, потому что в абиотических процессах обычно не образуются. И вот за ними James Webb будет охотиться особенно тщательно. В конце концов, открыто уже почти 10 тыс. планет, и, наблюдая их с помощью NIRSpec, обсерватория хотя бы на одной да и найдет следы примитивной жизни. А возможно, таких планет окажется сотни, и мы сможем значительно увереннее сказать, насколько это явление распространено во Вселенной.
Mid-Infrared Instrument
Еще одним прибором, который установлен на борту орбитальной обсерватории, является Mid-Infrared Instrument, или MIRI. Средний инфракрасный диапазон — это более короткие волны. Изображения у них не такие четкие, как у NIC, зато позволяют видеть объекты, излучение которых слабее.
В остальном же эта камера работает аналогично NIC. Она может делать снимки объектов через фильтры, проводить спектроскопию и использовать коронографы. Задачами этого прибора является определение красного смещения далеких галактик, изучение формирования удаленных звезд, объектов пояса Койпера и комет. Интересно, что технические решения для этого прибора были в оригинале разработаны компанией Raytheon для противотанкового комплекса Javelin.
Система точного наведения на объекты телескопа James Webb
Но для того, чтобы что-то разглядеть, надо сначала знать, куда смотреть. Эта задача в конструкции телескопа возложена на датчик точного наведения FGS. По сути, это отдельный маленький телескоп с присоединенным к нему компьютером. В его памяти содержатся спектры различных звезд.
FGS смотрит на окружающие звезды, сравнивает их спектры с теми, что хранятся в его памяти, и определяет, в какую же именно сторону сейчас направлен телескоп. В соответствии с этим принимается решение, что же сейчас должны изучать его основные инструменты.
Тепловой щит James Webb
Работа телескопа в инфракрасном спектре означает, что он может работать только при очень низких температурах. MIRI для работы вообще необходимо 7 градусов по Кельвину. Конечно, на телескопе есть система охлаждения, но основной способ, который бережет его от ослепления солнечным излучением, — солнечный экран.
Он состоит из пяти больших полотен полимера, покрытого зеркальным слоем. Каждое из них имеет размер 21,1х14,6 м. Полимерные слои натянуты на раму один за другим и благодаря этому полностью закрывают все гигантское зеркало James Webb от солнечных лучей.
Старт телескопа и начало его работы
В 1997 году, когда проект создания телескопа James Webb только начинался, его запуск планировался на 2007 год. Цена проекта тогда оценивалась в 500 млн долларов. Однако технические трудности оказались значительно сложнее, чем считалось изначально, и уже к 2000-му цена выросла более чем втрое.
Но и это не помогло уберечь проект от торможения. Уже в 2005-м при затратах в три миллиарда долларов стало понятно, что раньше 2013 года аппарат на орбиту не запустят. Затем сроки неоднократно сдвигались, а цена росла.
Когда в 2021 году James Webb все же отправили в космос, его цена составила уже 10 млрд долларов, что примерно в 20 раз больше, чем планировалось изначально. Но, несмотря на это, проект все же завершился успешно. После вывода на орбиту телескоп направился к точке L2.
Точками Лагранжа называются такие точки, где силы притяжения двух тел, например, Земли и Солнца, уравновешивают друг друга. Из-за этого аппарату не надо тратить топливо для коррекции орбиты. Точка L2 расположена позади нашей планеты и всегда закрыта ею от Солнца. Именно там телескоп и работает сейчас.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
