Телескоп «Джеймс Уэбб»: как замена «Хабблу» превысила бюджет в 20 раз и превратилась в рекордный долгострой NASA

Проект выжил из-за уникальной научной значимости — он позволит заглянуть во Вселенную дальше, чем когда-либо раньше.

Осенью 2021 года NASA собирается запустить в космос телескоп «Джеймс Уэбб». Представители космического агентства заявили, что аппарат готов к старту — 11 мая он успешно прошёл последний тест. Телескоп, который планировали запустить ещё в 2007 году, наконец-то займёт своё рабочее место в космосе. За это время затраты на проект выросли с 500 миллионов долларов до 10 миллиардов.

Из-за срыва всех сроков и бюджетов «Джеймса Уэбба» называли проектом «за гранью разумного», обвиняли в «пожирании астрономии» и даже собирались полностью отменить в 2011 году. Но учёные защитили «Уэбба» — без него астрономия просто не сможет двигаться дальше.

В первую очередь, он должен заменить «Хаббла», который работает на орбите уже 31 год. За это время «Хаббл» передал на Землю более 150 ТБ данных, на основе которых учёные написали около 20 тысяч научных статей и создали сотни фотографий космоса.

В следующем десятилетии «Хаббл» сойдёт с орбиты и, скорее всего, сгорит в земной атмосфере. Продолжение миссии становится бессмысленным — «старичок» слишком плохо «видит», чтобы показать астрономам то, что их занимает больше всего. А занимают их самые далёкие и самые древние звёзды и галактики, которые находятся на краю наблюдаемой Вселенной, и подробный спектр потенциально обитаемых планет.

Чтобы «всмотреться» в глубины космоса, которые в первом приближении выглядят тёмными и пустыми, «Хабблу» приходится копить данные в течение десятков и сотен наблюдений. Это очень сложный и утомительный для инженеров процесс. Зато так учёные увидели, что даже в самых малых участках неба скрываются тысячи галактик. Расстояние до них — около 13 миллиардов световых лет. Такое расстояние «Хабблу» ещё по силам.

Но астрономы хотят заглянуть ещё дальше — в тот период, когда звёзды и галактики только начали появляться. Сейчас это белое пятно для науки, и без него не получится понять, как и почему в космосе начали формироваться скопления вещества в виде планет, звёзд и галактик, которые, предположительно, запустили процесс реионизации водорода.

Полезны будут и данные о том, как выглядели первые звёзды и галактики. Ни одна из них не дожила до наших дней — первые звёзды были в сотни и тысячи раз больше Солнца и потому относительно быстро сгорели, за считанные миллионы лет. Это значит, что поблизости от нас таких звёзд не найти, за их изображениями нужно «лезть» на край Вселенной — как можно дальше в прошлое.

«Хабблу» не под силу увидеть настолько далёкие и тусклые части Вселенной. Его собирающее зеркало недостаточно велико для этого, а датчики недостаточно чувствительны. Грубо говоря, «Хабблу» не хватает разрешения, чтобы получить чёткую картинку с таких расстояний. К тому же телескоп подвержен сильным помехам со стороны Солнца и Земли — это типичные минусы нахождения на низкой околоземной орбите.

«Хаббл» недостаточно чувствителен и для изучения потенциально обитаемых небесных тел. Зато «Джеймс Уэбб» сможет рассмотреть экзопланеты с их спутниками в радиусе 15 световых лет от Земли и подробно проанализировать их спектр. Так учёные смогут наверняка узнать, в каких звёздных системах есть жизнь — пусть даже примитивная, в виде бактерий.

Поиски внеземной жизни опираются на биосигнатуры — сложные химические вещества, которые не могут образоваться без участия живых организмов, или появление которых без участия жизни крайне маловероятно. В числе таких веществ — некоторые жирные кислоты и спирты, липиды, аминокислоты, белки.

Планеты и спутники Солнечной системы телескоп увидит в высоком разрешении и сможет подробно изучить молекулярный состав их атмосферы и поверхности. Особенно интересуют учёных Европа и Энцелад — эти спутники Юпитера и Сатурна могут скрывать жизнь под своей поверхностью. «Уэбб» подскажет учёным, в какие места Европы и Энцелада лучше всего направить будущие спускаемые аппараты.

Разумеется, «Уэбб» сможет открыть и огромное множество планет в других звёздных системах, причём таких, которые сейчас не видны ни одному телескопу. Это холодные планеты с температурой поверхности 20-30 °C или даже ниже, а также планеты, которые не проходят между нами и своей звездой при вращении, из-за чего их невозможно засечь по затемнению звезды.

График работы «Джеймса Уэбба» уже расписан на годы вперёд — только на первом этапе учёные из 41 страны проведут более 6000 наблюдений. Такой спрос со стороны учёных вызван технической уникальностью аппарата. Каждый элемент «Уэбба» предназначен для одной цели — увидеть во Вселенной всё, что только можно.

Первый минус «Хаббла» — его местонахождение. Низкая (570 километров) околоземная орбита не спасает даже от помех земной атмосферы, не говоря уж о помехах самой Земли, Луны или Солнца. Поэтому «Джеймса Уэбба» направят в точку Лагранжа L2 системы «Земля-Солнце» — область в полутора миллионах километров от Земли. Любое тело в этой области вращается вокруг Солнца синхронно с Землёй.

Одно лишь такое размещение защитит «Уэбба» от большей части помех со стороны Солнца — его излучение будет постоянно перекрыто Землёй, как огромной ширмой. Впрочем, не полностью. Точка Лагранжа L2 находится не в тени Земли, а только в полутени. К тому же, немалое излучение исходит и от самой Земли.

Поэтому инженеры предусмотрели для аппарата «ширму» поменьше — солнечный щит. Это мембрана размером 10х22 метра, состоящая из пяти разнесённых в пространстве слоёв, толщина каждого слоя — всего 0,025-0,05 миллиметра. Слои покрыты алюминием, а первые два слоя — ещё и кремнием. В собранном виде солнечный щит свёрнут подобно зонту, а по достижении точки Лагранжа L2 должен развернуться.

Солнечному щиту придётся принимать нижней стороной солнечное излучение мощностью порядка 300 киловатт, при этом на верхнюю сторону он должен пропускать не более 23 милливатт. Это необходимо, чтобы приборы телескопа сохраняли постоянную температуру на уровне −220 °C или даже ниже. Они должны быть холоднее тех объектов, которые будут наблюдать.

Если «Хабблу» доступны наблюдения во всех диапазонах, от инфракрасного до ультрафиолетового, то «Джеймс Уэбб» будет работать преимущественно с инфракрасным излучением. Такое излучение имеет минимальную энергию — его испускают все тела, даже самые холодные.

Самые далёкие звёзды и галактики излучают только в инфракрасном диапазоне вне зависимости от температуры. Всему виной расширение Вселенной, которое растягивает электромагнитные волны далёких объектов, снижая их частоту и смещая в инфракрасную часть спектра. Поэтому чем дальше от Земли звезда или галактика — тем краснее её свет.

Уловить такое слабое инфракрасное излучение можно только очень большим собирающим зеркалом. Оно должно быть диаметром не менее 6,5 метров, по подсчётам учёных. И зеркало «Джеймса Уэбб» имеет именно такой размер, по сравнению с 2,4 метрами зеркала «Хаббла». В ракету такое зеркало не уместилось бы, поэтому оно у «Уэбба» состоит из 18 секций и складывается, как бутон цветка.

Зеркало изготовлено из бериллия — лёгкого и прочного металла, который не меняется в размерах при низких температурах и позволяет уберечь зеркало от малейших деформаций. Сам по себе бериллий плохо отражает инфракрасное излучение, поэтому его покрывает слой золота толщиной 100 нанометров. У него с отражением инфракрасных лучей всё в порядке.

Над телескопом начали работать ещё в 1996 году. Предполагалось, что диаметр его зеркала составит восемь метров, а стоимость всего аппарата уложится в 500 миллионов долларов. Исполнителем работ NASA выбрало аэрокосмическую корпорацию Lockheed Martin. Телескоп планировали вывести в космос уже в 2007 году.

Но скоро стало понятно, что изначальные планы придётся пересмотреть. В 2003 году NASA выбрало другого подрядчика — компанию TRW, которую чуть позже поглотила компания Northrop Grumman. Тогда сумма контракта уже достигла 825 миллионов долларов, а дата запуска сдвинулась на 2010 год.

К весне 2005 года затраты настолько возросли, что план проекта пришлось основательно переделать. Тогда же специалисты подсчитали, что «Джеймс Уэбб» обойдётся NASA не меньше, чем в 4,5 миллиарда долларов. Считая весь жизненный цикл телескопа длительностью в 10 лет. Хотя первый миллиард долларов потратили уже в следующем, 2006 году.

Через 15 лет после начала проекта «Джеймс Уэбб» находился ещё на финальной стадии проектирования. В том же 2011 году терпение властей стало заканчиваться. Комитет по ассигнованиям при Палате представителей США предложил больше не выделять деньги на телескоп, и Палата поддержала это предложение.

Но бурная реакция учёных и некоторых политиков склонили конгрессменов к решению всё-таки не закрывать проект. Единственное, в чём конгрессмены остались непреклонны — ограничение дополнительного финансирования «Уэбба» на уровне восьми миллиардов долларов.

Впрочем, не все учёные защищали проект. Многие астрономы тоже были недовольны постоянно растущими расходами на «Джеймса Уэбба», из-за которых ослабело или вовсе прекратилось финансирование других программ. В статье для Nature один из учёных назвал проект «пожирателем астрономии» и заявил, что телескоп «закроет для нас намного больше, чем откроет».

Работы над телескопом всё же продолжились, и к февралю 2016 года инженеры собрали зеркало «Джеймса Уэбба». В ноябре того же года телескоп собрали полностью и приступили к испытаниям. И тут снова начались проблемы. В марте 2018 года солнечный щит порвался при пробном развёртывании, после чего NASA перенесло запуск на май 2020 года, а потом — на март 2021 года.

Тогда же, в 2018 году топ-менеджер Northrop Grumman Уэс Буш заявил, что обеспокоен количеством ошибок и недочётов в проекте. Проверка показала, что механика и электроника «Уэбба» имеет 344 слабых места, ошибка в любом из которых может вывести весь телескоп из строя. Уэс Буш пообещал исправить их за счёт компании.

Аудит Счётной палаты США также выявил массу проблем в управлении проектом и его реализации:

После выхода отчёта Счётной палаты случилась очередная неприятность — под частично собранным телескопом нашли кучу болтов с гайками. Они высыпались из конструкции солнечного щита — кто-то забыл их затянуть.

По состоянию на момент написания материала, телескоп запустят 31 октября 2021 года, а стоимость программы превысила 10 миллиардов долларов. «Джеймс Уэбб» стал самым большим, самым сложным и самым затратным проектом в истории NASA. Но в выходе за все планируемые рамки «Уэбб» не уникален.

Срывы бюджетов и сроков при выполнении таких задач — скорее норма, чем нет. При создании «Хаббла» бюджеты тоже постоянно превышали, а сроки запуска переносили. Сначала на него планировали потратить 400 миллионов долларов и запустить в 1983 году. В реальности «Хаббл» обошёлся в 6,5 миллиардов долларов и полетел в космос только в 1990 году.

Сложность и стоимость таких проектов невозможно оценить заранее с большой точностью. Техническая новизна «Джеймса Уэбба» настолько высока, что для него просто нет ориентиров. NASA часто берётся за такие беспрецедентные проекты, из-за чего для агентства давно стало нормой затягивать сроки и превышать бюджеты.

Наконец, «Джеймс Уэбб» слишком важен для науки и политики, чтобы перестать тратить на него деньги. Как признал глава независимой контрольной комиссии Том Янг, проект следует продолжать, несмотря на все его проблемы.

#космос #астрономия #nasa #jameswebb