Все, что нужно знать о телескопе имени Джеймса Уэбба — обсерватории, которая изменит наше представление о космосе

Звездный предшественник

В 1990 году NASA запустила телескоп Хаббл — он был «Джеймсом Уэббом» своего поколения. Причем поначалу проект считали полным провалом — мало того, что его стоимость оказалось значительно выше запланированной, так еще и первые фотографии, сделанные Хабблом, были ужасно мыльными.

Со временем Хаббл доказал скептикам, что проект действительно стоил того, чтоб его поддержали. Телескоп произвел революцию в астрономии и космологии.

Одно из самых значительных открытий Хаббла произошло в 1995 году. Боб Уильямс, в то время директор Научного института космического телескопа в Балтимор, благодаря своей должности имел в распоряжении целых 100 часов, в течении которых он мог направлять телескоп куда ему угодно. Уильямс направил его на обычный и казалось бы пустой участок неба, который ничем не выделялся на фоне других. Многие пытались его отговорить и уверяли, что это — потеря драгоценного времени. Однако Уильямс остался непреклонен, и свои 100 часов Хаббл провел, постоянно фотографируя «пустое» небо. Результат? Тысячи далеких галактик разных форм, возрастов и размеров.

Благодаря этой фотографии ученые осознали, что на самом деле звезды, галактики и сверхмассивные черные дыры существовали намного раньше, чем предполагалось ранее. «Хаббл стал визитной карточкой NASA, вернув ей ауру сверхъестественных научных открытий», — пишет New Yorker.

Поэтому уже в 1996 году ученые предложили не останавливаться и заняться разработкой телескопа следующего поколения.

Знакомьтесь — телескоп имени Джеймса Уэбба

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба должен не просто заменить Хаббл — астрофизики уверены, что он полностью поменяет наше представление о космосе. Это самый большой, мощный, сложный и дорогой космический телескоп, который есть в распоряжении людей.

Новый телескоп мощнее предшественника в 100 раз. На разработку телескопа ушло 25 лет, за которые было потрачено более $10 млрд. Сроки его сдачи постоянно сдвигались — и на это можно посмотреть даже с позитивной точки зрения, объясняет астроном из Института исследований космоса с помощью космического телескопа Нестор Эспиноза. За время «простоя» ученые сильно продвинулись в изучении экзопланет, а потому инженеры смогли адаптировать обсерваторию к новым знания и требованиям, которые выдвигает космос.

(Почти) идеальное расположение

Одним из главных отличий в работе Джеймса Уэбба от Хаббла является его место расположения. NASA отправила свой новый космический телескоп ко второй точке Лагранжа (L2) — это место, где на него будут воздействовать гравитационные силы Земли и Солнца, постоянно удерживая его на расстоянии 1,5 млн км от планеты. Для сравнения — Хаббл «висел» в 325 км над поверхностью Земли.

«Это очень удобный способ использовать гравитацию Солнечной системы», — объясняет Мишель Таллер, астроном из Центра космических полетов имени Годдарда. У телескопа есть двигатели, которые периодически могут корректировать его местоположение, однако в целом именно гравитация будет делать большую часть работы по удержанию Джеймса Уэбба.

Это — идеальное место, с которого открывается вид как на планеты нашей Солнечной системы, так и на самые далекие галактики во Вселенной. Луна, Земля и Солнце расположены друг за другом, благодаря чему телескоп сможет закрыться от них при помощи теплозащитного экрана — разница температур с двух сторон обсерватории составит около 300 °C.

На стороне, обращенной к Земле и Солнцу, есть двигательные установки и системы связи, которые могут справляться с теплом. На другой стороне расположено само зеркало телескопа и другие инструменты, работа которых требует чрезвычайно низких температур. Спрятанный от излучения наших трех самых родных космических тел, Джеймс Уэбб наконец сможет беспрепятственно заглянуть в пучины космоса незамутненным взглядом.

Загвоздка в том, что точка L2 расположена слишком далеко, чтобы NASA могла организовать миссию по спасению телескопа, если что-то пойдет не так. А такой риск существует из-за чрезвычайно сложной конструкции Джеймса Уэбба.

Солнцезащита

Теплозащитный экран — это одновременно главная надежда и Ахиллесова пята новой обсерватории, пишет Quanta Magazine. Чтобы быть достаточно большим и обеспечить работу Джеймса Уэбба, он должен быть сделан из одновременно тонкой и крепкой ткани.

Это очень отпугивает инженеров, поскольку движение ткани в космосе крайне сложно предвидеть и особенно контролировать без возможности человеческого вмешательства. К примеру, если бы автоматическое развертывание (а это около 107 булавок, которые нужно разместить в правильном порядке, чтобы они не пропускали солнечный свет на инструменты телескопа, 400 шкивов и столько же метров кабелей) сработали хотя бы немного неправильно, порвался бы экран. Тогда вся работа пошла бы насмарку.

«Этот телескоп — первопроходец во многих вещах. Очень многих. Солнцезащита — это одна из них», — говорит Майк Мензель, главный инженер телескопа. Он сравнивает теплозащитный экран Джеймса Уэбба с простыней, которую вы должны встряхнуть и предугадать, как именно она ляжет после этого.

«Затем попробуйте повторить это в невесомости, где все может повернуться непредсказуемым образом», — продолжает он. По словам Мензеля, плавное развертывание теплового экрана стало одним из самых серьезных вызовов перед его командой.

Главный козырь

Центральным элементом телескопа является огромное главное зеркало диаметром в 6,5 метров (в Хаббле используется зеркало диаметром 2,4 метра). Изначально оно должно было быть 8-метровым, однако в 2001 году в NASA приняли решение немного уменьшить зеркало, чтобы не усложнять и без того сложную конструкцию обсерватории.

18 частей зеркала в форме правильного шестиугольника формируют один большой гексагон. Все они сделаны из бериллия — легкого и крепкого материала — покрытого золотом, чтобы отражать инфракрасный свет, идущий от самых далеких объектов от Вселенной. Дело в том, что первые галактики, которые появились во Вселенной, находятся так далеко, что их свет не может доходить до нас в «чистом» виде (например, как мы видим звезды в ночном небе), добираясь до нас исключительно в инфракрасном спектре.

Изучать такой свет на Земле проблематично из-за атмосферы, которая заглушает частички тепла, которые все-таки могут достигать нашей планеты. Чтобы наблюдать за этими далекими галактиками, нам нужен мощный космический телескоп, которому не будет мешать атмосфера Земли.

Проблема в том, что огромное зеркало не помещалось ни на одну из существующих ракет. Поэтому инженерам пришлось разработать невероятную конструкцию, которая смогла развернуть зеркало, когда телескоп прибудет на место. Если хотя бы что-то пошло не так, Джеймс Уэбб стал бы самым дорогим космическим мусором в истории человечества.

Каждый этап развертывания будет проходить автоматически

Проблема с названием

Этим летом телескоп оказался втянут в скандал — теперь уже не из-за очередных переносов или проблем с финансированием, а из-за своего названия. Дело в том, что Джеймса Уэбба, чье имя телескоп носит сейчас, обвиняют в притеснении представителей ЛГБТ сообщества в то время, как он руководил NASA. Считается, что тогда одного из сотрудников агентства уволили, поскольку подозревали, что он гей. Кроме того, Уэбб занимал высокую должность в Госдепе США в конце 1940-х-начале 1950-х годов — в этот период из власти систематически увольняли геев и лесбиянок из-за их сексуальной ориентации.

Оригинальное название проект получил в 2002 году, еще во время ранней стадии разработки. Бывший администратор NASA Шон О’Киф принял решение, которое застало многих врасплох, ведь традиционно телескопы агентства носят имена ученых, в то время как Джеймс Уэбб был бюрократом.

О’Киф аргументировал свой выбор тем, что именно благодаря Уэббу NASA стала тем агентством, которым мы его знаем сейчас. Также он утверждает, что не знал о возможном преследовании представителей ЛГБТ-сообщества со стороны Уэбба.

Что может дать новый телескоп?

У Джеймса Уэбба будет две основные научные миссии: исследование ранней Вселенной — появления первых звезд, формирования галактик и их эволюция с течением времени; а также поиск экзопланет, а также изучение их потенциала на обитаемость.

Подробное расписание работы обсерватории пока что нигде не публиковалось, однако астрономы с нетерпением ждут его первых данных.

У ученых нет сомнений, что Уэбб побьет рекорд самой далекой и старой из когда-либо наблюдавшихся галактик. Сейчас это достижение принадлежит небольшому миру под названием GN-z11, которая находится в 13,4 млрд световых годах от Земли.

В ходе еще одного большого исследования под названием COSMOS-Webb телескоп попытается запечатлеть около полумиллиона галактик на одном снимке. Для этого его на 200 часов направят на участок неба размером с три полных Луны, который расположен вдоль небесного экватора, благодаря чему за ним могут наблюдать наземные телескопы как Северного, так и Южного полушария.

Благодаря возможности Уэбба улавливать инфракрасный свет, это будет большой шанс для ученых намного лучше понять эволюцию нашей Вселенной. Исследователи рассчитывают получить огромный массив данных, который затем принесет нам невероятное количество открытий.

Наблюдая за самыми далекими объектами во Вселенной, ученые смогут понять, как звезды собирались в первые галактики и как те развивались с течением времени. Это приоткроет завесу тайны возникновения современного космоса в целом.

Хаббл и Джеймс Уэбб — телескопы настоящего и будущего космологии

Исследование Маришки Крик из Лейденской обсерватории в Нидерландах будет сосредоточено на изучении далеких галактик, которые больше не образуют звезды. Наблюдение за химическим составом этих миров поможет ученой понять, почему так происходит, а также чем эти галактики отличаются от своих более активно живущих собратьев.

Астрофизик Доминика Вилезалек изучает квазары, чтобы узнать об эволюции Вселенной. Она возглавляет научную группу Q3D, которая изучит три квазара при помощи Джеймса Уэбба. Она надеется, что новая обсерватория поможет им понять, как формируются галактики возле этих квазаров.

Квазары — это чрезвычайно яркие объекты, из-за чего ученым до сих пор было достаточно сложно изучать то, что происходит вокруг них. Своей яркостью они буквально закрывают все, что находится рядом. Однако ученые надеются, что Уэбб поможет им заглянуть «сквозь» этот свет. Сейчас основные гипотезы предсказывают, что квазары за счет своей мощи вытягивают большую часть звездного материала, не давая формироваться большему количеству звезд, чем могло бы быть без них. Наблюдения команды Вилезалек помогут опровергнуть или подтвердить эти предположения.

Однако Джеймс Уэбб будет смотреть не только на звезды. Спектральный анализ поможет ученым узнать состав экзопланет и их атмосферы — в особенности исследователи надеются найти следы метана и воды, которые в первую очередь являются биомаркерами жизни.

Канадский астрофизик Лиза Данг планирует изучить экзопланету с каменным дождем — K2−141b. Она примерно в 1,5 раза больше Земли и расположена так близко к своей звезде, что часть планеты попросту расплавлена. Одновременно с этим, температура поверхности на обратной стороне — ниже -200 °C. Это редкий пример планеты, покрытой лавой, геология которой не похожа ни на что в Солнечной системе.

Однако ресурсы телескопа будут направлены и на изучения наших космических соседей — уже сейчас запланированы наблюдения за Марсом, Европой — ледяной луной Юпитера, на которой может быть жизнь, а также за верхними слоями атмосферы и поверхностью Нептуна и Урана, изучение которых может помочь раскрыть секреты происхождения Солнечной системы.

Уэбб также будет наблюдать за Юпитером и двумя его спутниками — Ганимедом и Ио. Это исследование возглавит планетолог Калифорнийского университета в Беркли Имке де Патер.

Инструменты телескопа помогут ученым понять, из чего состоит поверхность Ганимеда, а также выяснить состав его подповерхносного океана, где, по мнению исследователей, могут быть живые организмы. Ио интересует ученых с точки зрения необычайной активности вулканов: это самый геологически активный мир в Солнечной системе, на поверхности которого «работают» 400 активных вулканов.

Кроме того, де Патер рассчитывает изучить кольца Юпитера, которые далеко не так популярны, как кольца Сатурна. Все дело в размерах — образующие кольца частицы пыли и камня слишком малы, чтобы отражать достаточно солнечного света. Из-за этого их практически невозможно различить на фоне яркости и размеров самой планеты. Де Патер рассчитывает, что обсерватория поможет ей и ее команде разобраться в структуре и истории формирования колец Юпитера.

Ученые рассчитывают, что телескоп имени Джеймса Уэбба сможет проработать 5−10 лет в зависимости от количества топлива, которое потребуется технике, чтобы удерживаться в точке L2. Вскоре после запуска появились интересные подробности — благодаря экономии топлива в самом начале миссии, инженеры считают, что Уэбб сможет проработать «значительно более 10 лет».

«Уэбб настолько мощный, что для меня это будет время „до“ и время „после“ его запуска», — говорит Джейн Ригби, астрофизик в Центре космических полетов имени Годдарда.

Дисклеймер: впервые статья была опубликована 14 декабря 2021 года — еще до запуска телескопа в космос. С тех пор НВ обновил и дополнил материал некоторыми фактами об ожиданиях ученых.