Все, що потрібно знати про телескоп імені Джеймса Вебба — обсерваторію, яка змінить наше уявлення про космос

Зірковий попередник

У 1990 році NASA запустила телескоп Габбл — він був «Джеймсом Веббом» свого покоління. Причому спочатку проєкт вважали повним провалом — мало того, що його вартість виявилася значно вищою від запланованої, так ще й перші фотографії, зроблені Габблом, були жахливо мильними.

Згодом Габбл довів скептикам, що проєкт справді вартував того, щоб його підтримали. Телескоп зробив революцію в астрономії та космології.

Одне з найбільших відкриттів Габбла відбулося в 1995 році. Боб Вільямс, тоді директор Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі, завдяки своїй посаді мав у розпорядженні цілих 100 годин, протягом яких він міг направляти телескоп куди йому завгодно. Вільямс направив його на звичайну і здавалося б порожню ділянку неба, яка нічим не виділялася на тлі інших. Багато хто намагався його відмовити і запевняв, що це — втрата дорогоцінного часу. Проте Вільямс залишився непохитним, і свої 100 годин Габбл провів, постійно фотографуючи «порожнє» небо. Результат? Тисячі далеких галактик різних форм, віку та розмірів.

Завдяки цій світлині вчені усвідомили, що насправді зірки, галактики та надмасивні чорні діри існували набагато раніше, ніж передбачалося до цього. «Габбл став візитівкою NASA, повернувши їй ауру надприродних наукових відкриттів», — пише New Yorker.

Тому вже 1996 року вчені запропонували не зупинятися та зайнятися розробленням телескопа наступного покоління.

Знайомтесь — телескоп імені Джеймса Вебба

Космічний телескоп імені Джеймса Вебба має не просто замінити Габбл — астрофізики впевнені, що він повністю змінить наше уявлення про космос. Це найбільший, найпотужніший, найскладніший і найдорожчий космічний телескоп, який є у розпорядженні людей.

Новий телескоп потужніший за попередника в 100 разів. На його розробку пішло 25 років, за які було витрачено понад $10 млрд. Терміни його здачі постійно зрушувалися — і на це можна подивитися навіть із позитивної точки зору, пояснює астроном з Інституту досліджень космосу за допомогою космічного телескопа Нестор Еспіноза. За час «простою» вчені сильно просунулися у вивченні екзопланет, а тому інженери змогли адаптувати обсерваторію до нових знань та вимог, які висуває космос.

(Майже) ідеальне розташування

Однією з головних відмінностей у роботі Джеймса Вебба від Габбла є його місце розташування. NASA відправила свій новий космічний телескоп до другої точки Лагранжа (L2) — це місце, де на нього впливатимуть гравітаційні сили Землі та Сонця, постійно утримуючи його на відстані 1,5 млн км від планети. Для порівняння — Габбл «висів» у 325 км над поверхнею Землі.

«Це дуже зручний спосіб використовувати гравітацію Сонячної системи», — пояснює Мішель Таллер, астроном з Центру космічних польотів імені Годдарда. У телескопа є двигуни, які можуть періодично коригувати його місцезнаходження, проте загалом саме гравітація робитиме більшу частину роботи з утримання Джеймса Вебба.

Це — ідеальне місце, з якого відкривається вид як на планети нашої Сонячної системи, так і на найдальші галактики у Всесвіті. Місяць, Земля та Сонце розташовані один за одним, завдяки чому телескоп зможе закритися від них за допомогою теплозахисного екрану — різниця температур з обох боків обсерваторії складе близько 300 °C.

На стороні, поверненої до Землі та Сонця, знаходяться рухові установки та системи зв’язку, які можуть справлятися з теплом. З іншого боку розташовані саме дзеркало телескопа та інші інструменти, робота яких потребує надзвичайно низьких температур. Захований від випромінювання наших трьох найрідніших для людства космічних тіл, Джеймс Вебб нарешті зможе безперешкодно зазирнути в безодні космосу незамутненим поглядом.

Заковика в тому, що точка L2 розташована надто далеко, щоб NASA могла організувати місію з порятунку телескопа, якщо щось піде не так. А такий ризик існує через надзвичайно складну конструкцію Джеймса Вебба.

Сонцезахист

Теплозахисний екран — це одночасно головна надія та Ахіллесова п’ята нової обсерваторії, пише Quanta Magazine. Щоб бути досить великим і забезпечити роботу Джеймса Вебба, він повинен бути зроблений з тонкої і міцної тканини.

Це дуже лякає інженерів, оскільки рух тканини у космосі дуже складно передбачити та особливо контролювати без можливості людського втручання. Якщо автоматичне розгортання (а це близько 107 шпильок, які потрібно розмістити в правильному порядку, щоб вони не пропускали сонячне світло на інструменти телескопа, 400 шківів і стільки ж метрів кабелів) спрацювало хоча б трохи неправильно, порвався б екран. Тоді вся робота пішла б нанівець.

«Цей телескоп є піонером у багатьох речах. Дуже багатьох. Сонцезахист це одна з них», — каже Майк Мензель, головний інженер телескопа. Він порівнює теплозахисний екран Джеймса Вебба з простирадлом, яке ви повинні струсити і передбачити, як саме воно ляже після цього.

«Потім спробуйте повторити це у невагомості, де все може обернутися непередбачуваним чином», — продовжує він. За словами Мензеля, плавне розгортання теплового екрану стало одним із найсерйозніших викликів перед його командою.

Головний козир

Центральним елементом телескопа є величезне головне дзеркало діаметром 6,5 метрів (у Габблі використовується дзеркало діаметром 2,4 метра). Спочатку воно мало бути 8-метровим, проте в 2001 році в NASA прийняли рішення трохи зменшити дзеркало, щоб не ускладнювати і без того складну конструкцію обсерваторії.

18 частин дзеркала у формі правильного шестикутника формують великий гексагон. Всі вони зроблені з берилію — легкого і міцного матеріалу, — покритого золотом, щоб відбивати інфрачервоне світло, що йде від далеких об'єктів від Всесвіту. Річ у тім, що перші галактики, які з’явилися у Всесвіті, знаходяться так далеко, що їхнє світло не може доходити до нас у «чистому» вигляді (наприклад, як ми бачимо зірки у нічному небі), добираючись до нас виключно в інфрачервоному спектрі.

Вивчати таке світло на Землі проблематично через атмосферу, яка заглушує частинки тепла, які можуть досягати нашої планети. Щоб спостерігати ці далекі галактики, нам потрібен потужний космічний телескоп, якому не заважатиме атмосфера Землі.

Проблема в тім, що величезне дзеркало не вміщалося на жодну з існуючих ракет. Тому інженерам довелося розробити неймовірну конструкцію, яка розгорнула дзеркало, коли телескоп прибув на місце. Якби хоч щось пішло не так, Джеймс Вебб став би найдорожчим космічним сміттям в історії людства.

Кожен етап розгортання відбувався автоматично

Проблема з назвою

Минулого літа телескоп втягнули у скандал — тепер уже не через чергові перенесення чи проблеми з фінансуванням, а через його назву. Річ у тім, що Джеймса Вебба, ім'я якого телескоп носить зараз, звинувачують в утиску представників ЛГБТ спільноти в той час, як він керував NASA. Вважається, що тоді одного із співробітників агенції звільнили, оскільки підозрювали, що він гей. Крім того, Вебб обіймав високу посаду в Держдепі США наприкінці 1940-х — на початку 1950-х років: у цей період із влади систематично звільняли геїв та лесбійок через їхню сексуальну орієнтацію.

Оригінальну назву проєкт отримав у 2002 році, ще під час ранньої стадії розроблення. Колишній адміністратор NASA Шон О’Кіф прийняв рішення, яке було сюрпризом для багатьох, адже традиційно телескопи агентства носять імена вчених, тоді як Джеймс Вебб був чиновником.

О’Кіф аргументував свій вибір тим, що саме завдяки Веббу NASA стала тим агентством, яким ми його знаємо зараз. Також він стверджує, що не знав про можливе переслідування представників ЛГБТ-спільноти з боку Вебба.

Що може дати новий телескоп?

У Джеймса Вебба буде дві основні наукові місії: дослідження раннього Всесвіту — появи перших зірок, формування галактик та їхньої еволюції з часом; а також пошук екзопланет, а також вивчення можливості існування там життя.

Докладний розклад роботи обсерваторії поки що ніде не публікувався, проте астрономи з нетерпінням чекають на його перші дані.

У вчених немає сумнівів, що Вебб поб'є рекорд найдальшої і найстаршої з галактик, які ми коли-небудь спостерігали. Зараз це досягнення належить невеликому світу під назвою GN-z11, що знаходиться за 13,4 млрд світлових років від Землі.

Під час ще одного великого дослідження під назвою COSMOS-Webb телескоп спробує сфотографувати близько півмільйона галактик на одному знімку. Для цього його на 200 годин направлять на ділянку неба розміром з три повних Місяці, розташовану вздовж небесного екватора, де за ним можуть спостерігати наземні телескопи як Північної, так і Південної півкулі.

Завдяки можливості Вебба вловлювати інфрачервоне світло, це буде великий шанс для вчених набагато краще зрозуміти еволюцію нашого Всесвіту. Дослідники розраховують отримати величезний масив даних, який принесе нам неймовірну кількість відкриттів.

Спостерігаючи за найдальшими об'єктами у Всесвіті, вчені зможуть зрозуміти, як зірки збиралися в перші галактики і як розвивалися з часом. Це відкриє завісу таємниці виникнення сучасного космосу в цілому.

Габбл і Джеймс Вебб — телескопи сьогодення та майбутнього космології

Дослідження Марішки Крік з Лейденської обсерваторії в Нідерландах буде зосереджено на вивченні далеких галактик, які більше не утворюють зірки. Спостереження за хімічним складом цих світів допоможе вченій зрозуміти, чому так відбувається, а також чим ці галактики відрізняються від своїх побратимів, що живуть більш активно.

Астрофізикиня Домініка Вілезалек вивчає квазари, щоб розкрити таємниці еволюції Всесвіту. Вона очолює наукову групу Q3D, яка вивчить три квазари за допомогою Джеймса Вебба. Вона сподівається, що нова обсерваторія допоможе зрозуміти, як формуються галактики біля цих квазарів.

Квазари — це надзвичайно яскраві об'єкти, через що вченим досі було досить складно вивчати те, що відбувається довкола них. Своєю яскравістю вони буквально закривають усе, що знаходиться поряд. Проте вчені сподіваються, що Вебб допоможе їм заглянути «крізь» це світло. Зараз основні гіпотези передбачають, що квазари за рахунок своєї потужності витягують більшу частину зіркового матеріалу, не даючи формуватися більшій кількості зірок, які могли б з’явитися без них. Спостереження команди Вілезалек допоможуть спростувати чи підтвердити ці припущення.

Проте Джеймс Вебб дивитиметься не лише на зірки. Спектральний аналіз допоможе вченим дізнатися склад екзопланет та їхніх атмосфер — особливо дослідники сподіваються знайти сліди метану і води, які є біомаркерами життя.

Канадський астрофізик Ліза Данг планує вивчити екзопланету з кам’яним дощем K2−141b. Вона приблизно в 1,5 разу більша за Землю і розташована так близько до своєї зірки, що частина планети просто розплавлена. Водночас температура поверхні на звороті — нижче -200 °C. Це рідкісний приклад планети, покритої лавою, геологія якої не схожа ні на що у Сонячній системі.

Однак ресурси телескопа будуть спрямовані й на вивчення наших космічних сусідів — вже зараз заплановані спостереження за Марсом, Європою — крижаним місяцем Юпітера, на якому може бути життя, а також за верхніми шарами атмосфери та поверхнею Нептуна та Урану, вивчення яких може допомогти розкрити секрети походження Сонячної системи.

Вебб також спостерігатиме за Юпітером та двома його супутниками — Ганімедом та Іо. Це дослідження очолить планетологиня Університету Каліфорнії в Берклі Імке де Патер.

Інструменти телескопа допоможуть вченим зрозуміти, з чого складається поверхня Ганімеда, а також з’ясувати склад його підповерхневого океану, де, на думку дослідників, можуть бути живі організми. Іо цікавить вчених з погляду надзвичайної активності вулканів: це геологічно активний світ у Сонячній системі, на поверхні якого «працюють» 400 активних вулканів.

Крім того, де Патер розраховує вивчити кільця Юпітера, які далеко не такі популярні, як кільця Сатурна. Все через розміри — частинки пилу і каменю, що утворюють кільця, занадто малі, щоб відбивати достатньо сонячного світла. Через це їх практично неможливо розрізнити на тлі яскравості та розмірів самої планети. Де Патер розраховує, що обсерваторія допоможе їй та її команді розібратися у структурі та історії формування кілець Юпітера.

Науковці розраховують, що телескоп імені Джеймса Вебба зможе пропрацювати 5−10 років залежно від кількості пального, яке знадобиться техніці, щоб утримуватися в точці L2. Незабаром після його запуску з’явилися цікаві подробиці — завдяки економії палива на початку місії інженери вважають, що Вебб зможе пропрацювати «значно більше 10 років».

Вебб настільки потужний, що для мене це буде час «до» та час «після» його запуску", — говорить Джейн Рігбі, астрофізик у Центрі космічних польотів імені Годдарда.

Дисклеймер: вперше статтю було опубліковано 14 грудня 2021 року — ще до запуску телескопу в космос. Відтоді НВ оновив та доповнив матеріал деякими фактами щодо очікувань науковців.