2021: Космическая одиссея орбитальной обсерватории Телескоп «Джеймс Уэбб» возвращается домой

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба представляет собой орбитальную инфракрасную обсерваторию, которая должна сменить на «космическом посту» телескоп «Хаббл». Изначально «Джеймс Уэбб», идея строительства которого возникла в 1996 году, имел другое наименование, а именно — «Космический телескоп нового поколения» (Next-generation space telescope). Но в 2002 году ему присвоили имя второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба, при котором была реализована программа «Аполлон». Планируется, что телескоп будет работать на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля.

Из чего состоит «Джеймс Уэбб»

Аппарат создан двумя американскими компаниями — Northrop Grumman и Bell Aerospace, при этом в строительстве телескопа задействованы 17 стран во главе с НАСА и при активном участии Европейского и Канадского космических агентств.

Новый телескоп весит чуть больше шести тонн (6,2, если быть точными), в длину достигает 20 метров. Его самая крупная деталь — противосолнечный щит, созданный из полимерной пленки и покрытый тонким слоем алюминия с одной стороны и металлическим кремнием с другой. Основная задача щита — предотвращать тепловую атаку солнца на дорогостоящую аппаратуру. Для этого он поделен на несколько слоев, заполненных вакуумом, с помощью которого удается остужать матрицы до -220°C.

«Сердце» аппарата — составное зеркало, предназначение которого — фокусировать и выпрямлять пучки света на детекторах. В собранном виде оно занимает 6,5 метра в диаметре и состоит из 18 блоков. В раскрытом виде — после выхода телескопа на орбиту — площадь зеркала составляет 25 м². Сделано оно из бериллия — дорогостоящего твердого металла светло-серого цвета и покрыто тонким слоем золота, которое улучшает показатели отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6—29 мкм.

Кстати, насчет стоимости. Проект оценивается в 9,815 миллиардов долларов, однако это пока не конечная цифра, так как эксплуатация телескопа естественным путем увеличит ее. Эксплуатация должна начаться в конце 2021 года — аппарат будет доставлен на свое «рабочее место» с помощью ракеты «Ариан-5», а уже первые данные будут переданы ученым в начале 2022 года. Предполагается, что космический телескоп прослужит примерно 10 лет (по крайней мере, на столько должно хватить запаса хладагента).

Где будет работать телескоп

Предшественник «Джеймса Уэбба», телескоп «Хаббл» располагается на низкой околоземной орбите на высоте примерно 570 километров и вращается вокруг Земли. Принципиальное отличие нового телескопа заключается в том, что его командируют на гало-орбиту в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля и он будет вращаться вокруг Солнца. То есть Земля не будет создавать помехи и заслонять «Джеймсу Уэббу» звезды, как это происходит в случае «Хаббла».

Однако в этой ситуации есть и обратная сторона: удаленность от Земли влияет на возможности контролировать объект, а также увеличивает шансы потерять с ним связь. Именно поэтому «Джеймс Уэбб» будет вращаться вокруг Солнца синхронно с Землей на удалении в 1,5 миллиона километров в противоположную сторону от светила. То есть любые поломки оборудования можно будет устранять только дистанционно, к сожалению, приблизить к околоземной орбите телескоп не получится. С этим связаны постоянные отсрочки запуска, так как тестирование телескопа растянулось на несколько лет, притом что изначально «Джеймс Уэбб» должен был быть запущен в космос в 2014 году. Ученые пытаются предотвратить различные поломки, сделав аппарат сверхнадежным. 26 августа 2021 года НАСА завершило все испытания и отправило телескоп на космодром Куру для запуска, который был запланирован на ноябрь текущего года. Однако инцидент, связанный с произвольным размыканием замковой ленты, удерживающей прибор и адаптер вместе, которое должно происходить уже в космосе, отодвинул старт на конец декабря.

Какие задачи стоят перед новым телескопом

Объекты, расположенные в космосе, нагреваются до определенной температуры и излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом чем выше температура нагревания, тем короче длина волны и интенсивнее излучение инфракрасного света. Телескоп будет изучать тепловое излучение так же, как и его предшественник. Однако у нового телескопа есть ряд преимуществ, связанных в первую очередь с эволюцией оборудования. Так, аппаратура, которой оснащен новый прибор, позволит ему увидеть очень древние объекты вселенной — первые звезды, галактики, а также скопления галактик. «Уэбб» сможет определить плотность экзопланет, их потенциальную пригодность для жизни, при чем он будет обнаруживать экзопланеты, удаленные от Земли на расстояние до 15 световых лет. Кроме того, еще одна задача нового телескопа — исследовать около трехсот атмосфер разных экзопланет.

Отдельная цель «Джеймса Уэбба» — поиск первых поколений звезд, появившихся сразу после Большого взрыва. Этих звезд уже не существует, однако свет от них все еще «бороздит просторы Вселенной». При этом движущийся в течение миллиардов лет свет может претерпевать изменения или даже поглощаться пылевыми облаками. Еще телескоп «Джеймс Уэбб» сможет заглянуть в такие уголки, которые не были изученные ранее, а также места, где рождаются звезды. Таким образом, основные задачи, которые призван решить новый телескоп — изучение самых древних звезд и галактик, поиск экзопланет с признаками жизни, исследование так называемых «звездных колыбелей», должны серьезно подвинуть вперед научную мысль.

Читайте также историю создания первого персонального компьютера:

Какими инструментами оснащен телескоп

Глазами «Джеймса Уэбба» считается камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, с помощью которой ученые планируют увидеть свет от самых ранних объектов Вселенной, очаги темной материи и многое другое. NIRCam представляет собой комплекс ртутно-кадмиево-теллуровых сенсоров с рабочим диапазоном камеры – от 0,6 до 5 микрометров. Кроме того, она оборудована коронографом, позволяющим подавлять свет далеких звезд, чтобы увидеть вокруг них планеты.

Самым чувствительным прибором в инструментарии телескопа является MIRI — прибор среднего инфракрасного диапазона, оснащенный камерой с разрешением 1024×1024 пикселя, а также спектрографом. С помощью мышьяко-кремниевых детекторов прибора ученые планируют увидеть красное смещение очень далеких галактик, а также заглянуть «за пояс» Койпера и изучить «девятую планету Солнечной системы» — гипотетическую планету Х.

NIRSpec — спектрограф ближнего инфракрасного диапазона позволит аккумулировать сведения о физических свойствах объектов и их химическом составе. NIRSpec состоит из множества ячеек с микрозатворами, которые имеют автономное управление, что позволяет сосредоточиться на конкретном изучаемом объекте, отсеивая всю остальную — ненужную информацию.

Дуэт приборов FGS/NIRISS — состоит из датчика точного наведения и устройства создания изображения в ближнем инфракрасном диапазоне с бесщелевым спектрографом. Устройства отвечают за фокусировку и анализ состояния телескопа, необходимый на начальном этапе орбитальных испытаний. Впоследствии FGS/NIRISS будут полезными в вопросах обнаружения и изучения экзопланет. Например, камера FGS умеет считывать информацию 16 раз в секунду с небольших групп пикселей размером 8×8. Это позволяет определять опорную звезду с вероятностью в 95% в любом месте Вселенной.

Предполагается, что аппаратура, установленная на космическом телескопе «Джеймс Уэбб», будет передавать на Землю научные данные со скоростью 28 Мбит/с.

Почему новейшими и дорогостоящими марсоходами управляют устаревшие процессоры: