Космический телескоп Джеймса Уэбба: Происхождение, конструкция и цели миссии

Google Image

Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST), который стартовал 25 декабря 2021 года в 7:20 утра по восточному времени (12:20 вечера по Гринвичу) из Гвианского космического центра (также известного как Европейский космодром) во Французской Гвиане, выполняет миссию по наблюдению за некоторыми из самых слабых и старых объектов во Вселенной с точки обзора, находящейся на расстоянии почти 1 миллиона миль (1,5 миллиона километров) от Земли.

Уэббу предстоит многое сделать в качестве преемника космического телескопа "Хаббл" - все еще действующей космической обсерватории, делающей впечатляющие снимки космоса. За три десятилетия, прошедшие с момента запуска Хаббла в 1990 году, он показал чудеса Вселенной в беспрецедентных деталях. С его помощью были изучены такие передовые темы, как темная энергия и экзопланеты, о которых в начале его работы даже не мечтали. Кроме того, он настолько захватил воображение публики, что теперь его имя стало нарицательным. 

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, известный как Уэбб (как и Хаббл), управляется в основном НАСА, которое предоставляет основную часть финансирования, а партнерами являются Европейское космическое агентство (ЕКА) и Канадское космическое агентство (ККА). Телескоп назван в честь одного из первых администраторов НАСА, Джеймса Э. Уэбба, который курировал создание программы "Аполлон" в 1960-х годах, сообщает НАСА.

Это было в 2002 году, почти 20 лет назад, когда имя Уэбба впервые было присвоено проекту, который ранее назывался "Космический телескоп следующего поколения". Впоследствии, по мере приближения запуска JWST, это решение было поставлено под сомнение. Многие ученые утверждали, что Уэбб участвовал в дискриминации геев и лесбиянок, работавших в НАСА в качестве администратора агентства, и поэтому его имя не должно быть присвоено высококлассной обсерватории, сообщает Live Science со ссылкой на сайт Space.com. (НАСА объявило в сентябре 2021 года, что не будет переименовывать миссию, сообщает Space.com). 

25 декабря 2021 года ракета Ariane 5 компании Arianespace стартует с космическим телескопом НАСА "Джеймс Уэбб" на борту со стартовой зоны ELA-3 Европеского космодрома в Гвианском космическом центре в Европеском космодроме в Гвианском космическом центре во Французской Гвиане. (Фотография предоставлена: Bill Ingalls/NASA via Getty Images)

Первоначально планировалось, что стоимость телескопа "Уэбб" составит полмиллиарда долларов и он будет готов к запуску в 2007 году, сообщает "Атлантик". Однако эти оценки оказались слишком оптимистичными, учитывая чрезвычайно сложную и инновационную конструкцию космического аппарата. По данным Управления государственной отчетности США, строительство телескопа обошлось почти в 10 миллиардов долларов, почти удвоив сметную стоимость с 2009 года.

Тем не менее, ученые, участвующие в проекте, считают, что результаты с лихвой окупят вложенные в него время и деньги. НАСА стремится подчеркнуть, что Webb - это не просто больший и более мощный телескоп, чем Hubble. Хотя он является и тем, и другим - с более чем в два с половиной раза большим диаметром и в сто раз большей чувствительностью - в своей основе JWST представляет собой инструмент совершенно иного типа.

Обычные оптические телескопы видят в той же части спектра, что и наши глаза, охватывая диапазон длин волн примерно от 380 до 740 нанометров (нм), как ранее сообщал Live Science. Хаббл" охватывает весь этот диапазон, плюс немного в ультрафиолет при более коротких длинах волн и в инфракрасный диапазон при более длинных.

Но JWST будет в первую очередь инфракрасным телескопом, оптимизированным для работы в диапазоне от 600 до 28 000 нм, как сообщается на сайте НАСА JWST. Таким образом, он не сможет видеть зеленый или синий свет, только оранжевый и красный, а также широкий диапазон длин волн, выходящих за эти пределы.

Джеймс Уэбб, в честь которого назван телескоп, был администратором НАСА в 1960-х годах.  (Кредит изображения: НАСА)

Для многих астрономических объектов, включая звездообразующие области, экзопланеты и самые далекие галактики, эти очень длинные волны более полезны для астрономов, чем видимый спектр. Но инфракрасный диапазон создает проблемы для земных телескопов, поскольку большая его часть блокируется атмосферой нашей планеты, считают в Университете Сент-Эндрюса.

Кроме того, Земля производит собственное инфракрасное излучение посредством теплового излучения, которое, как правило, заглушает более слабые астрономические источники. Поэтому лучшее место для инфракрасного телескопа - в космосе, как можно дальше от Земли и всех ее нежелательных источников тепла.

Следуя по стопам инфракрасной обсерватории ЕКА "Гершель", телескоп Уэбба будет расположен на расстоянии почти 1 миллиона миль (1,5 миллиона километров) от Земли в так называемой точке L2, сообщается на сайте НАСА JWST.

Это позволит "Уэббу" получить гораздо более четкий вид на Вселенную, чем тот, который имеет "Хаббл" на низкой околоземной орбите, но у этого есть и обратная сторона. В отличие от своего предшественника, "Уэбб" не может быть легко доступен для ремонтной команды астронавтов в случае поломки. Все должно работать идеально с первой попытки, и это одна из причин, по которой НАСА потребовалось два десятилетия, чтобы подготовить "Уэбб" к запуску.

ГДЕ ДЖВСТ БУДЕТ "ЖИТЬ" В КОСМОСЕ?

Ключевой особенностью конструкции "Уэбба" является то, что у него есть "холодная сторона" и "горячая сторона". Холодная сторона - это та, которая ведет наблюдения, а горячая сторона несет солнечные батареи космического аппарата и антенну для двусторонней связи с Землей. Но такая схема работает только в том случае, если Солнце и Земля всегда направлены в одну сторону с точки зрения космического аппарата. 

Этого не было бы, если бы Webb был просто помещен на околоземную орбиту, как Hubble, и это было бы не так, если бы космический аппарат вращался вокруг Солнца на несколько ином расстоянии от земной орбиты. Но, оказывается, есть одно особое расстояние, на котором объект может вращаться вокруг Солнца и всегда видеть Солнце и Землю в одном и том же направлении. Это так называемая точка L2 - и именно там будет работать телескоп Уэбба.

L2 - одна из пяти точек в пространстве, называемых точками Лагранжа, в честь Жозефа-Луи Лагранжа, который изучал их в 18 веке. В этих точках гравитация двух массивных тел (в данном случае Солнца и Земли) заставляет третье, меньшее тело (например, астероид или космический корабль) оставаться в фиксированном положении относительно первых двух. Точки Лагранжа не являются стационарными, но они вращаются вокруг Солнца с точно такой же скоростью, как и Земля, поэтому расстояние от нас всегда остается неизменным. В случае с L2 она находится на расстоянии около 1 миллиона миль (1,5 миллиона километров): примерно в четыре раза дальше, чем Луна.

Для доставки телескопа на L2 потребовалась мощная ракета-носитель Ariane 5, принадлежащая ЕКА. Всего через 26 минут после старта из Французской Гвианы она вывела Webb из атмосферы Земли и взяла курс на L2. Затем космический аппарат отделился от ракеты и в течение месяца совершал небольшие корректировки траектории, после чего 24 января прибыл на L2, сообщает Live Science. 

КАК РАБОТАЕТ ТЕЛЕСКОП ВЕББА?

Внешне JWST сильно отличается от Хаббла. Последний, как и традиционный телескоп, заключен в цилиндрическую трубу, которая защищает оптику от рассеянного света. В зависимости от положения на орбите "Хаббл" может подвергаться воздействию большого количества света: палящие солнечные лучи в одном направлении, отражения от поверхности Земли в другом, а иногда даже Луна. 

Но Веббу повезло больше. При наблюдении из точки L2 все эти яркие источники находятся в более или менее одинаковом направлении, поэтому телескопу нужен лишь один большой солнечный щит. Голая оптика в виде первичного и вторичного зеркал располагается поверх него. Результат, на первый взгляд, больше похож на радиотелескоп, чем на оптический.

Однако функционально и Webb, и Hubble построены на одних и тех же принципах. Они оба построены вокруг большого первичного зеркала, которое выполняет важнейшую задачу - улавливать как можно больше света от объектов, которые могут находиться на самом краю наблюдаемой Вселенной. По сути, чем больше это зеркало, тем лучше. 

В случае Хаббла его диаметр составляет 8 футов (2,4 метра), и он сделан из одного круглого куска стекла. Если его увеличить до размеров, необходимых для JWST - около 21,3 футов (6,5 метров) в поперечнике, - то не только будет чрезвычайно сложно изготовить, но и результат будет слишком большим и тяжелым для запуска в космос, считают в НАСА.

Огромное первичное зеркало JWST во время наземных испытаний инженерами НАСА. (Кредит изображения: НАСА)

Вместо этого зеркало Уэбба построено из 18 шестиугольных сегментов, которые были сложены для запуска, а затем развернуты в рабочую конфигурацию уже в космосе.

Обратите внимание: Пилотируемые миссии на Марс: как безопасно добраться до Красной планеты и вернуться обратно.

Хотя НАСА рассматривало возможность изготовления сегментов из стекла, как зеркало Хаббла, в итоге они использовали бериллий - очень прочный и легкий металл, который обычно используется в высокоскоростных самолетах и космических аппаратах.

Для получения изображений с необходимой четкостью необходимо придать им форму и отполировать с чрезвычайно высокой точностью; по оценкам НАСА, погрешность полировки составляет менее одной миллионной дюйма. После достижения желаемой формы сегменты зеркала были покрыты тонким слоем чистого золота, чтобы максимально повысить отражательную способность в инфракрасном диапазоне волн.

Когда все сегменты собраны вместе, они достигают желаемого диаметра главного зеркала в 21,3 фута (6,5 м). Это примерно в 2,7 раза больше, чем у Хаббла, но фактическое улучшение характеристик намного больше.

Это связано с тем, что светособирающая способность зеркала пропорциональна его площади, а не диаметру. С учетом шестиугольной формы сегментов и отверстия в центре, эффективная площадь зеркала Уэбба составляет 269 квадратных футов (25 квадратных метров) по сравнению с 43 квадратными футами (4 квадратными метрами) у Хаббла. Это означает улучшение характеристик более чем в шесть раз.

СОЛНЕЧНЫЙ ЩИТ ДЖВСТА

Расположенный в точке L2, JWST будет находиться под постоянным ярким солнечным светом. Это полезно для оборудования в автобусе космического корабля, но плохо для оптических инструментов и научного модуля. Поскольку они ведут наблюдения в инфракрасном диапазоне, для их правильной работы необходимо поддерживать как можно более низкую температуру. 

Таким образом, две половины космического аппарата будут разделены огромным пятислойным солнцезащитным экраном в форме змеи размером примерно с теннисный корт. В то время как на освещенной солнцем стороне температура может достигать 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию), на холодной стороне будет до минус 394 градусов по Фаренгейту (минус 237 градусов по Цельсию), как сообщается на сайте НАСА JWST.

Все пять слоев солнцезащитного экрана были успешно развернуты 24 января, сообщает Space.com.

Солнцезащитный экран на космическом телескопе НАСА "Джеймс Уэбб".  (Фотография кредитная: NASA/Chris Gunn)

ПОЧЕМУ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ JWT ВЕДУТ НАБЛЮДЕНИЯ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ?

Обычно мы думаем об астрономии в терминах видимого света, потому что это то, что видят наши глаза и традиционные телескопы. Но астрономические объекты излучают во всем электромагнитном спектре, от очень длинных радиоволн до очень коротковолновых рентгеновских и гамма-лучей. Наши глаза эволюционировали, чтобы видеть те длины волн, которые они видят, потому что именно в этих диапазонах Солнце излучает большую часть своей энергии, но более холодные объекты, такие как планеты и недавно сформировавшиеся звезды, как правило, излучают на более длинных волнах, чем эти, согласно исследованию, опубликованному в 2021 году в журнале Eye. 

Это одна из причин, почему инфракрасные телескопы, такие как Webb (и его предшественник, космический телескоп НАСА Spitzer, который работал с 2003 по 2020 год), так важны. Вторая причина заключается в том, что, хотя пыль в галактиках поглощает видимый свет, она практически прозрачна для инфракрасных волн. Это означает, что даже звезды, похожие на Солнце, могут быть легче видны в инфракрасном диапазоне, если между ними много пыли, сообщает НАСА.

2 февраля инженеры НАСА начали проводить первые тесты по созданию изображений с помощью "Уэбба". 18 сегментов зеркала фиксируют изображения звезд, которые затем будут использованы для выравнивания основного зеркала, чтобы 18 отдельных изображений в итоге слились в одну звезду, сообщает НАСА.

КАКОВЫ ЦЕЛИ МИССИИ JWST?

Задача 1: Ранняя Вселенная

Вебба иногда называют "машиной времени", что в определенном смысле так и есть. Поскольку свет от удаленных объектов распространяется с конечной скоростью, мы видим их такими, какими они были в прошлом. Хаббл показал нам галактики такими, какими они были много миллиардов лет назад, но JWST будет еще более чувствительным. НАСА надеется, что он сможет увидеть весь путь назад, до момента образования первых галактик, около 13,6 миллиардов лет назад. 

И у "Вебба" есть еще одно преимущество перед телескопами видимого диапазона, такими как "Хаббл". 

Поскольку Вселенная расширяется, свет от удаленных объектов растягивается, увеличивая свою длину волны. Это означает, что свет, излучаемый в видимом диапазоне волн, на самом деле достигает нас в инфракрасном диапазоне, для которого оптимизирован JWST. Одной из его первых задач будет исследование под названием COSMOS-Webb самых далеких галактик на определенном участке неба, чтобы изучить условия на заре Вселенной.

В ходе исследования COSMOS-Webb будет изучена область, эквивалентная трем полным лунам. (Кредит изображения: НАСА)

Задача 2: Галактики во времени

Благодаря впечатляющим снимкам Хаббла большинство людей знают, как выглядят галактики: огромные скопления звезд, часто расположенные в элегантно симметричных спиральных узорах. Но это, как правило, относительно близкие галактики, а значит, зрелые. Дразнящий взгляд Хаббла на очень ранние галактики позволяет предположить, что они значительно меньше и выглядят более беспорядочно. 

Пока никто не знает, как образовались эти протогалактики, и как они впоследствии слиплись вместе, чтобы создать более крупные, регулярно выглядящие галактики, которые мы видим сегодня, сообщает Калифорнийский технологический институт. Есть надежда, что "Вебб" сможет ответить на эти вопросы благодаря своему сверхглубокому обзору ранней Вселенной.

Другой хорошо известной особенностью галактик является наличие сверхмассивных черных дыр в центрах большинства из них. В ранней Вселенной эти черные дыры часто приводили в движение чрезвычайно яркие галактические ядра, называемые квазарами, и Уэбб планирует Изображение мощного квазара типа, который будет изучать Вебб, выполненное художником НАСА.  (Кредит изображения: НАСА)

Задача 3: Жизненный цикл звезд

Галактики, заполняющие Вселенную, возникли очень рано, и с тех пор они неуклонно развиваются. Но это не относится к звездам внутри них, которые проходят через жизненные циклы, больше похожие на живые существа. Они рождаются, развиваются, стареют и умирают, а остатки старых звезд служат сырьем, необходимым для создания новых звезд. Многое в этом процессе хорошо изучено, но все еще остается загадкой фактическое рождение звезд и планетарные диски, которые могут формироваться вокруг них. 

Это связано с тем, что детские звезды изначально находятся в коконе из пыли, сквозь который обычные телескопы, использующие видимый свет, не могут проникнуть. Но вся эта пыль будет практически прозрачной в инфракрасном диапазоне длин волн, используемых "Уэббом", поэтому НАСА надеется, что он наконец-то раскроет окончательные секреты формирования звезд. В свою очередь, это может научить нас чему-то о происхождении нашего собственного Солнца и Солнечной системы.

Задача 4: Другие миры

Одной из самых захватывающих областей современной астрономии является поиск экзопланет, вращающихся вокруг других звезд, в частности, планет, похожих на Землю, которые могут иметь химические компоненты и условия, необходимые для развития жизни. JWST внесет свой вклад в этот поиск несколькими способами, используя инфракрасную визуализацию и спектроскопию для изучения химических и физических свойств планетных систем. 

Его способность проникать сквозь пыль и делать снимки сверхвысокого разрешения позволит нам получить прямое представление о планетных системах - таких как недавно сформировавшаяся звезда Бета Пикторис - на самых ранних стадиях их развития, говорится на сайте НАСА JWST. Вебб также проанализирует химический состав атмосфер экзопланет, в частности, в поисках характерных признаков строительных блоков жизни. Для этого, опять же, идеально подходит инфракрасный телескоп, поскольку молекулы, составляющие атмосферы планет, как правило, наиболее активны в этом диапазоне длин волн. 

Вид Хаббла на планетарный диск вокруг Бета Пикторис, который JWST будет изучать более глубоко. (Кредит изображения: НАСА)

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ С АСТРОФИЗИКОМ

Мы спросили доктора Майка МакЭлвейна из НАСА о его надеждах на новый телескоп.

Майкл МакЭлвейн - научный сотрудник проекта обсерватории JWST в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА.  (Изображение кредитное: NASA/Jolearra Tshiteya)

Какими научными исследованиями будет заниматься телескоп в первый год работы?

В первый год программа наблюдений "Уэбба" будет охватывать всю космическую гамму: от первого света в ранней Вселенной до атмосфер экзопланет. Webb будет наблюдать самые интересные объекты во Вселенной благодаря сочетанию улучшенного разрешения, чувствительности и охвата длин волн. Это позволит получить новые и расширенные характеристики известных объектов на небе. Если вы можете назвать его, то, скорее всего, "Уэбб" будет наблюдать его, хотя, возможно, не все в первый год.

Какие самые интересные открытия может сделать JWST?

Когда у вас есть такая преобразующая обсерватория, как Webb, самыми захватывающими открытиями, скорее всего, будут те, которые мы даже не ожидаем! Инфракрасный взгляд "Уэбба" на Вселенную позволит нам увидеть космос там, где раньше мы были слепы. Его беспрецедентная инфракрасная чувствительность поможет астрономам сравнить самые ранние галактики с современными большими спиралями и эллиптиками, что поможет нам понять, как галактики собираются в течение миллиардов лет. Он сможет видеть сквозь массивные облака пыли, непрозрачные для обсерваторий видимого света, таких как "Хаббл", где рождаются звезды и планетные системы. Webb расскажет нам больше об атмосферах внесолнечных планет и, возможно, даже обнаружит строительные блоки жизни в других местах Вселенной.

Как вы думаете, станет ли Вебб таким же известным именем, как Хаббл?

Я полностью уверен, что так и будет, и что люди по всему миру будут обсуждать снимки Webb, сидя за обеденным столом. Подобно "Хабблу", "Уэбб" создаст впечатляющие снимки космоса, которые будут поражать воображение. Мы ожидаем, что снимки "Уэбба" станут вирусными в Интернете, появятся на календарях и займут место на журнальных столиках домохозяйств.

Поддержите сайт лайком и комментарием!
Подписывайтесь - Вам у нас понравится!

А у Вас есть дома или на даче телескоп?

#космос #наблюдения #телескоп #астрономия

Больше интересных статей здесь: Космос.

Источник статьи: Космический телескоп Джеймса Уэбба: Происхождение, конструкция и цели миссии.

Написать комментарий