Спустя 20 лет «Джеймс Уэбб» построен: как он устроен и чем знаменит?

Двадцать лет назад ученые начали собирать телескоп следующего поколения, который станет преемником «Хаббла». И вот, инженеры NASA объявили, что строительство телескопа Джеймса Уэбба (JWST), наконец, завершено. Телескоп с 6,5-метровым зеркалом, в два раза превышающим зеркало «Хаббла», готов к испытаниям перед запланированным на октябрь 2018 года запуском.

«Сегодня мы отмечаем факт завершения нашего телескопа и готовы доказать, что он работает», говорит Джон Мазер, астрофизик и старший ученый проекта на пресс-конференции на Space.com.

Вдохновившись успехом телескопа Хаббла, NASA и его европейские и канадские партнеры вместе работали над проектированием и строительством JWST. Получившийся телескоп больше и мощнее, чем «Хаббл», а значит сможет увидеть первые галактики, рожденные после Большого Взрыва. Его наблюдения не только помогут ученым понять происхождение Вселенной, но и в поисках жизни на других далеких планетах.

Глядя на инфракрасный свет, излучаемый всеми объектами в космосе, беспилотный телескоп будет поднимать шторы Вселенной и видеть звезды, слишком далекие даже для Хаббла. Восемнадцать больших шестиугольных зеркал, изготовленных из легкого бериллия и покрытых золотом, будут собирать инфракрасные показания для JWST. Они будут работать при температурах почти абсолютного нуля в точке Лагранжа 2 (L2), которая находится сразу за Землей с точки зрения Солнца.

Но чтобы убедиться, что телескоп сможет работать в космосе, NASA придется провести его через серию жестких испытаний.

Для начала ученые в Космическом центре им. Годдарда в Мэриленде встряхнут машину и подвергнут ее жесткому шуму в 150 децибел, чтобы имитировать суровые условия, которые будут ждать телескоп во время запуска. Затем зеркало и инструменты будут отправлены в Космический центр им. Джонсона для криогенного тестирования, чтобы убедиться, что они смогут выдержать холодные условия космоса. После того, как работа будет сделана, инженеры прикрепят телескоп к космическому аппарату, в котором будут летные компьютеры и системы связи. Наконец, «Джеймс Уэбб» получит щит размером с теннисный корт для защиты его хрупких инструментов от Солнца и подвергнется новым испытаниям, которые позволят убедиться, что его измерения не будут лживыми еще до запуска.

К тому времени, как телескоп, наконец, отправится во французскую Гвиану для запуска на вершине европейской ракеты Ariane 5, общая стоимость достигнет 10 миллиардов долларов. До сих пор телескоп идет в соответствии с графиком и бюджетом, но каждый этап предстоящего тестирования просто обязан идти по плану. В отличие от Хаббла, астронавты не смогут посетить JWST, чтобы решить возникшую при запуске проблему. Телескоп будет слишком далеко — в 150 миллионах километров от Земли.

Как работает «Джеймс Уэбб»?

Миссия «Уэбба» целиком опирается на работу Больших обсерваторий NASA, четырех замечательных телескопов, чьи инструменты покрывают весь электромагнитный спектр. Четыре накладывающихся друг на друга миссии позволили ученым наблюдать одни и те же астрономические объекты в видимом, гамма-лучевом, рентгеновском и инфракрасном спектрах.

«Хаббл», который размером с автобус, видит в первую очередь видимую область спектра и немного ультрафиолетового и инфракрасного. Его программа началась в 1990 году и благодаря дальнейшему обслуживаю продлится достаточно долго, чтобы передать эстафету «Уэббу». Названный в честь Эдвина Хаббла, астронома, открывшего множество задач для изучения этим телескопом, он стал одним из самых продуктивных инструментов в научной истории, подарив нам феномены вроде рождения звезды и ее смерти, эволюции галактики и черных дыр (от теории до наблюдаемых фактов).

Вместе с «Хабблом» в большую четверку входит Комптоновская гамма-лучевая обсерватория (CGRO), Рентгеновская обсерватория «Чандра» и космический телескоп «Спитцер».

CGRO, запущенная в 1991 и больше не обслуживаемая, обнаружила высокоэнергетические жестокие явления от 30 килоэлектрон-вольт (кэВ) до 30 гигаэлектрон-вольт (ГэВ), включая энергетические извержения ядер активных галактик.

«Чандра», запущенная в 1999 году и до сих пор остающаяся на плаву, наблюдает за черными дырами, квазарами и высокотемпературными газами в рентгеновском спектре, а также предоставляет важные данные о рождении, росте и конечной судьбе Вселенной.

«Спитцер», который оккупировал орбиту прохождения Земли, изучает небо в тепловом инфракрасном (3-180 микрон) диапазоне, наблюдая за рождением звезд, галактическими центрами и холодными тусклыми звездами. Также он ищет те или иные молекулы в космосе.

«Уэбб» будет вглядываться в ближний и средний инфракрасный спектр, чему поспособствует его положение в точке L2 за луной и солнечные щиты, которые блокируют навязчивый свет Солнца, Земли и Луны, благоприятно влияя на охлаждение аппарата. Ученые надеются увидеть самые первые звезды Вселенной, образование и столкновение юных галактик, рождение звезд в протопланетарных системах — в которых, возможно, содержатся химические компоненты жизни.

Эти первые звезды могут хранить ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически, где и как они формируются, напрямую связано с первыми моделями темной материи — невидимой таинственной субстанции, которую обнаруживают по гравитационному воздействию — а их циклы жизни и смерти вызывают обратную связь, повлиявшую на формирование первых галактик. И поскольку сверхмассивные звезды с коротким периодом жизни примерно в 30-300 раз тяжелее нашего Солнца по массе (и в миллионы раз ярче), эти первые звезды могли бы взорваться в виде сверхновых, а после коллапсировать и образовать черные дыры, которые постепенно заняли центры большинства массивных галактик.

Как устроен «Джеймс Уэбб»?

«Уэбб» выглядит как ромбовидный плот, оснащенный толстой изогнутой мачтой и парусом — если бы его строили гигантские пчелы, питающиеся бериллием. Направленный нижней частью к Солнцу, снизу «плот» состоит из щита — слоев каптона, разделенных щелями. Каждый слой разделен вакуумной щелью для эффективного охлаждения, а вместе они защищают основной отражатель и инструменты.

Каптон — это очень тонкая (представьте человеческий волос) полимерная пленка производства DuPont, которая способна поддерживать стабильные механические свойства в условиях экстремального тепла и вибрации. Если вы захотите, вы сможете вскипятить воду на одной стороне щита и сохранить азот в жидком состоянии на другой. Складывается он тоже довольно хорошо, что важно для запуска.

Судовой «киль» состоит из структуры, которая хранит солнечный щит во время запуска и солнечные батареи для обеспечения питания аппарата. В центре находится короб, который содержит все важные функции поддержки, за счет которых работает «Уэбб», включая электроэнергию, управление ориентацией, связь, командование, обработку данных и тепловой контроль. Антенна украшает внешний вид короба и помогает убедиться, что все ориентировано в нужном направлении. На одном из концов теплового щита, перпендикулярно к нему, находится триммер момента, который компенсирует давление, оказываемое фотонами на аппарат.

На космической стороне щита находится «парус», гигантское зеркало Уэбба, часть оптического оснащения и короб с оборудованием. 18 шестиугольных бериллиевых секций развернутся после запуска, чтобы стать одним большим главным зеркалом на 6,5 метра в поперечнике.

Напротив этого зеркала, удерживаемого на месте тремя опорами, находится вторичное зеркало, которое фокусирует свет от главного зеркала в кормовой оптической подсистеме, клиновидной коробке, выступающей из центра основного зеркала. Эта структура отклоняет рассеянный свет и направляет свет от вторичного зеркала к инструментам, размещенным в задней части «мачты», которая также поддерживает сегментированную структуру основного зеркала.

После того как аппарат завершит свой шестимесячный период ввода в эксплуатацию, он проработает 5-10 лет, а может, и больше, в зависимости от расхода топлива, однако его местоположение будет слишком далеко, чтобы его можно было починить. На самом деле, «Хаббл» и Международная космическая станция являются своего рода исключениями в этом плане. Но, как у «Хаббла» и других общих обсерваторий, миссией «Уэбба» будет работа с проектами ученых всего мира, отбираемых на конкурсной основе. Затем результаты будут находить свой путь в исследованиях и данных, доступных в Интернете.