Главное о «Джеймсе Уэббе» — телескопе-долгострое NASA за $10 миллиардов, который должен найти внеземную жизнь
Его строили 25 лет и наконец запустят в космос. Объясняем, чем интересен один из самых знаковых проектов NASA.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JSWT) в рабочем положении Иллюстрация NASA
25 декабря 2021 года в 15:20 по московскому времени с космодрома Куру во Французской Гвиане должна взлететь ракета «Ариан-5», чтобы вывести в космос телескоп «Джеймс Уэбб». Через месяц полёта он выйдет на рабочую позицию, а ещё через полгода настроек и проверок — передаст на Землю первые снимки.
Этот телескоп называли «проектом за гранью разумного» и хотели закрыть за непомерные траты — и только огромная научная значимость довела его до готовности. TJ подготовил обзор главных особенностей рекордного долгостроя NASA и главной надежды астрономов на следующие 10 лет.
Чего ждут от «Джеймса Уэбба»?
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) должен заменить «Хаббла», который работает на орбите уже 31 год и всё чаще выходит из строя на целые недели и месяцы. В следующие пять-десять лет JWST будет главным двигателем развития мировой астрономии и астрофизики. Рабочее время телескопа уже расписано наперёд — только за первый год он должен провести 266 наблюдений общей длительностью 6000 часов. «Уэббом» смогут воспользоваться учёные из 41 страны.
От «Джеймса Уэбба» ждут прорывов по двум главным направлениям: поиски потенциально обитаемых экзопланет и внеземной жизни, а также изучение процессов, которые происходили на раннем этапе жизни Вселенной. Надежду на эти прорывы даёт оборудование JWST — оно способно изучать объекты, которые в 10-100 раз тусклее тех, что видит «Хаббл», и делать снимки в 10 раз чётче.
В чём уникальность «Уэбба»?
Прежде всего, у JWST очень большое зеркало: 6,5 метров в диаметре, тогда как у «Хаббла» — всего 2,4 метра. «Тарелку» такого размера не получилось бы уместить в ракету, поэтому зеркало «Уэбба» сделали складным. Оно состоит из трёх секций, которые должны развернуться в точке прибытия. Зеркало в прямом смысле золотое: его 18 шестиугольных сегментов покрыты слоем золота толщиной 100 нанометров — этот металл хорошо отражает инфракрасные лучи.
Инженеры осматривают поверхность зеркала «Джеймса Уэбба» в лаборатории Фото NASA
Такое зеркало позволяет телескопу работать с очень слабым излучением, которое исходит от крайне далёких объектов. «Джеймса Уэбба» хотят нацелить на области, которые находятся в 13,6 миллиардах световых лет от Земли. Это всё равно, что заглянуть в детство Вселенной и сделать её снимки в возрасте 100-250 миллионов лет, когда стали появляться первые звёзды и галактики.
Скорость света не бесконечна, так что наблюдатель видит объекты с некоторой задержкой. Жители Земли видят Солнце таким, каким оно было примерно 8,5 минут назад, а ближайшую к Солнцу звезду (Альфу Центавра) — какой она была 4,3 года назад. Чем больше расстояние — тем дальше в прошлое. Поэтому астрономы так сильно ждут, когда с помощью «Уэбба» можно будет заглянуть на 13,6 миллиардов световых лет вглубь космоса.
Астрономическое сообщество делает большую ставку на этот телескоп, учитывая его научный потенциал. Мы все глубоко переживаем происходящее.
Из-за расширения Вселенной эти области с огромной скоростью удаляются от Земли — и по мере «растяжения» пространства растягиваются и волны света, идущие из этих областей к Земле. Частота волн падает, видимая картинка галактик, звёзд и туманностей смещается по спектру «вниз» — в невидимое инфракрасное излучение. Это явление называется космологическим красным смещением.
Нормальная длина волн света от неподвижного объекта, смещённый в красноту свет от удаляющегося объекта и смещённый в синюю часть спектра — от приближающегося Изображение Wikimedia
Только телескопы, работающие глубоко в инфракрасном диапазоне, могут воспринимать настолько далёкие области. «Уэбб» — именно такой телескоп, в отличие от «Хаббла», который в основном работает с видимым светом. Инфракрасные лучи удобны ещё и тем, что спокойно проходят сквозь туманности из газа и пыли, в отличие от лучей видимого света.
Зато «Хаббл» делает красочные фотографии далёких уголков космоса, тогда как «Уэбб», строго говоря, на это неспособен — он не воспринимает видимый свет. Инфракрасную картинку можно будет лишь примерно перевести в видимые цвета, создав визуализацию вместо настоящей фотографии.
«Джеймс Уэбб» правда откроет внеземную жизнь?
Если в радиусе 15 световых лет от Земли есть планета, на которой живут хотя бы микробы — новый телескоп наверняка заметит их наличие. «Уэбб» станет самым мощным инструментом мировой науки в поиске биосигнатур — сложных органических веществ, которые не могут образоваться на планете без участия живых организмов, пусть даже примитивных.
Особенно интересны в этом плане Европа (спутник Юпитера) и Энцелад (спутник Сатурна). Там под многокилометровым льдом скрываются океаны жидкой воды с простейшими органическими веществами вроде метана и ацетилена. JWST сможет точно определить химический состав этих океанов и установить вероятность наличия жизни в них. Проверить данные «Уэбба» можно будет за пять-семь лет, отправив туда исследовательские зонды.
Образование простой органики в гейзерах на дне подлёдного океана на Энцеладе, которую обнаружил аппарат «Кассини» Иллюстрация NASA
Что JWST сможет рассказать о детстве Вселенной?
«Джеймс Уэбб» даст информацию о самом интересном периоде истории Вселенной, когда ей было всего 100-250 миллионов лет. Тогда ещё стояли Тёмные века: не было ни галактик, ни звёзд — космос был «затянут туманом» из атомов водорода и гелия, рассеянных по всему доступному объёму.
Со временем этот «туман» как бы конденсировался в некоторых местах — атомы скапливались и сжимались в звёзды и квазары, которые озарили Вселенную первым светом. Наступала эпоха реионизации: Вселенная из тёмного однородного «газового хранилища» превращалась в скопления светящегося вещества, разделённые триллионами километров пустоты.
«Джеймс Уэбб» позволит определить, когда точно появились первые источники света во Вселенной, и что именно это было — звёзды или квазары. Также телескоп многое расскажет о формировании первых чёрных дыр, которые, возможно, стали собирать вокруг себя первые галактики. Вся эта информация поможет астрономам понять, почему Вселенная сейчас выглядит именно так, как она выглядит.
Эволюция Вселенной, красными чертами выделен период, который будет изучать «Джеймс Уэбб» Изображение Ars Technica
Почему «Уэбба» так долго делали?
Особенно интересны экзопланеты, где средняя температура примерно равна земной: 14 °C. Землеподобные планеты с такой температурой могут быть удобным местом для появления жизни или будущей колонизации. Но «Хабблу» и другим телескопам было трудно их находить и изучать, особенно на фоне пылающих рядом звёзд. Новый телескоп запланировали таким чувствительным, чтобы он мог находить двойников Земли в радиусе 15 световых лет и даже определять их химический состав.
Однако реализация планов затянулась и превратилась в рекордный долгострой NASA с небывалым бюджетом. Поначалу JWST оценивали в 500 миллионов долларов, но с годами его стоимость увеличилась в 20 раз — примерно до 10 миллиардов. Собрать телескоп удалось только в конце августа 2019 года. После чего начались проблемы с запуском — его десять раз переносили по разным причинам вплоть до 25 декабря 2021 года.
Власти США хотели даже отменить «Уэбба» из-за его непомерной дороговизны, которая «пожирала» бюджет других астрономических программ. Проектом очень плохо управляли, подрядчики постоянно недооценивали сложность уникального оборудования, из-за чего срывали сроки и бюджеты. Инженеры-сборщики несколько раз по недосмотру ломали и портили компоненты телескопа, забывали затянуть винты и гайки.
Сколько будет работать «Джеймс Уэбб»?
JWST прослужит от пяти до десяти лет — и скорее всего, на этом его история закончится. Лимит заложен в самой конструкции телескопа: чтобы обеспечить высокую чувствительность датчика, который глубже всего проникает в инфракрасный диапазон, его нужно постоянно охлаждать жидким гелием до −267 °C. Закончится хладагент — прибор не сможет работать, а без него «Уэбб» не имеет смысла.
Долговечность «Хаббла» во многом определили пять ремонтных полётов к нему на «Шаттле» — астронавты с помощью робоконечности челнока чинили неполадки и обновляли оборудование. С «Уэббом» так не получится — и не только потому, что «Шаттлы» не летают с 2011 года, но и потому что новый телескоп будет слишком далеко расположен.
Если «Хаббл» вращается на низкой орбите у самой Земли (всего в 570 километрах от поверхности), то JWST должен выйти в точку Лагранжа L2 на расстоянии полутора миллионов километров от Земли. Там телескоп сможет вращаться вокруг Солнца, не отрываясь при этом от Земли, чтобы обеспечить быструю и надёжную передачу данных. Вряд ли есть смысл посылать туда людей для починки телескопа — это стало бы рекордным пилотируемым полётом (почти в четыре раза дальше Луны), очень дорогим и опасным.
Такая позиция накладывает ещё одно ограничение. Орбита в точке Лагранжа L2 нестабильна и телескопу придётся регулярно корректировать её с помощью собственных двигателей. Когда топливо закончится — «Уэбб» со временем слетит со своей позиции и перейдёт на обычную орбиту вокруг Солнца, потеряв синхронизацию с Землёй.
Что если «Уэбб» не долетит до точки Лагранжа или сломается в космосе?
Любой провал JWST будет иметь катастрофические последствия для NASA и тяжёлые для всей мировой астрономии.
Шансы, что ракета-носитель «Ариан-5» станет источником проблем, довольно малы — всё-таки это одна из самых надёжных ракет в мире. Но проблемы могут возникнуть позже. Чтобы защитить инфракрасное оборудование от теплового излучения Земли и Солнца, «Джеймс Уэбб» на пути к пункту назначения должен будет развернуть солнечный щит в виде пятислойной отражающей мембраны. Для этого предусмотрен сложный механизм с 90 тросами и 107 спусковыми устройствами. Если что-то пойдёт не так и щит не развернётся — телескоп не сможет работать, и исправить это вряд ли получится.
Телескоп «Джеймс Уэбб» можно назвать проектом с высокими рисками: он очень сложный и дорогой, на него возложено очень много надежд, и малейшая ошибка на некоторых этапах грозит провалом всей миссии. Это может замедлить развитие мировой науки, хотя вряд ли остановит его — есть и другие проекты, которые могут частично или полностью заменить «Уэбба».
В 2027 году начнёт работать «Чрезвычайно большой телескоп» (ELT) — инфракрасно-оптическая обсерватория, которую Евросоюз строит в чилийских горах на высоте более трёх километров. Зеркало телескопа диаметром 39,3 метра будет состоять из 798 шестиугольных сегментов, которые смогут менять своё положение несколько тысяч раз в секунду, чтобы погасить вибрации телескопа и оптические искажения из-за земной атмосферы.
Примерно так будет выглядеть ELT после постройки Изображение ESO
Оборудование «Чрезвычайно большого телескопа» позволит изучать состав экзопланет, процессы формирования планет из протопланетных дисков, а также первые звёзды и галактики — то есть, всё то, на что будет нацелен «Джеймс Уэбб». В сочетании с небольшими околоземными телескопами вроде NEOWISE он сможет компенсировать возможную потерю «Уэбба».
Которой всё же лучше не случаться.
Прекрасные и непреходящие творения человеческого разума и рук, будь то пирамиды Гизы, Великая Китайская стена или Сикстинская капелла, требовали больших затрат и долгой работы. И «Джеймс Уэбб» по-настоящему достоен того, чтобы пополнить этот ряд.
#космос #nasa #разборы #jameswebb