Главное о «Джеймсе Уэббе» — телескопе-долгострое NASA за $10 миллиардов, который должен найти внеземную жизнь Статьи редакции

Его строили 25 лет и наконец запустят в космос. Объясняем, чем интересен один из самых знаковых проектов 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

«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.

Астрономы задумали создать этот телескоп ещё в 1996 году, а запустить планировали в 2007-2011 годах. В то время учёные открывали первые экзопланеты (планеты у других звёзд, вне Солнечной системы), так что им нужен был мощный инфракрасный телескоп, чтобы найти как можно больше экзопланет.

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.

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.

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.

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.

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.

#космос #nasa #разборы #jameswebb