Содержание
История создания и запуска
Идея создания нового мощного космического телескопа возникла у американских астрономов в 1996 году, когда его предшественник Хаббл только начал свою работу во Вселенной.
Американские астрономы выпустили доклад HST and Beyond, в котором обсуждался вопрос, куда должна двигаться астрономия дальше. Исследователи дали NASA задание построить телескоп, который будет пригоден в том числе для поиска и изучения экзопланет. Началась работа по воплощению замысла мощного аппарата, способного передавать ученым нужную информацию.
Изначально аппарат назвали «Космический телескоп нового поколения» (Next-generation space telescope). Но в 2002 году ему присвоили имя второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба, при котором была реализована программа «Аполлон».
Первоначальная стоимость аппарата NGST предположительно составляла 500 миллионов долларов, а в космос он должен был отправиться в 2007 году. Но в 2005 проект серьезно пересмотрели.
Цена проекта увеличилась до 4,5 миллиарда (в 9 раз). К разработке телескопа присоединились Европейское и Канадское космические агентства.
Проект неоднократно критиковали за неэффективное управление, за недооценку сложности и необходимых временных затрат. Начиная с 2010 года подорожавший «Джеймс Уэбб» начал отнимать деньги у других проектов NASA и получил от журнала Science прозвище «телескоп, съевший астрономию».
Самый резонансный перенос даты запуска аппарата произошел в 2018 году. Экспертная комиссия по разработке и испытаниям телескопа выявила множество проблем: клапаны, поврежденные неверно выбранным чистящим растворителем, неправильно проведенная проводка и плохо установленные крепежные элементы теплозащитного экрана, часть которых оторвалась прямо во время вибрационных испытаний.
Строительство завершилось только в 2019 году. В октябре 2021 года аппарат приехал во Французскую Гвиану на европейский космодром Куру и начал готовиться к старту.
Как он готовился к работе
Запуск телескопа, до момента, как он отделился от ракеты-носителя Ариан-5, длился около 30 минут. Затем начался период «29 дней на грани» — этой пугающей фразой специалисты НАСА описали сложный процесс развертывания телескопа. Телескоп за этот сложный и волнительный период полностью запустил все свои системы в космосе.
Излишне говорить, что астрономы, инженеры и ученые не отдыхали, пока все это не закончилось. Ведь существовало много моментов, когда один неисправный шкив или один залипший привод мог поставить под угрозу будущее всей миссии.
В процессе подготовки к работе телескоп сначала развернул солнечную панель, чтобы питаться солнечной энергией. Затем открыл антенну с высоким коэффициентом усиления для связи с Землей. И наконец, начал самое сложное — разворот солнцезащитного экрана и зеркала.
Когда трансформация завершилась, телескоп Джеймс Уэбб запустил бортовые двигатели, чтобы занять окончательное положение в намеченной точке Лагранжа L2. Несколько дней после ее достижения аппарат остывал. Затем инженеры НАСА приступили к удаленной настройке и проверке всех систем. К лету 2022 года у специалистов NASA появился самый мощный телескоп в мире.
Оборудование
Джеймс Уэбб – это орбитальная инфракрасная лаборатория. Весит новый аппарат 6,2 тонны, а в длину достигает 20 метров.
Самая крупная деталь телескопа – противосолнечный щит из полимерной пленки и покрытый тонким алюминиевым слоем с одной стороны и металлическим кремнием с другой. Щит защищает аппаратуру от тепловой атаки Солнца. Деталь поделена на несколько слоев, заполненных вакуумом. Он помогает остудить матрицы до – 220 градусов.
Впечатляющая конструктивная деталь телескопа – золотое зеркало, собирающее свет. Его ширина более 21 фута (6,5 м). Для сравнения, зеркало Хаббла имеет чуть менее 8 футов (2,4 метра) в поперечнике, и оно отвечает за получение изображений некоторых из самых знаковых объектов, которые мы когда-либо видели во Вселенной.
Благодаря своему большему зеркалу, JWST в 10-100 раз более чувствителен, чем Хаббл, что позволит ему обнаруживать даже очень слабые объекты в небе.
В раскрытом виде — после выхода телескопа на орбиту — площадь зеркала составляет 25 м².
Инженеры JWST собирали зеркало по частям. Оно состоит из 18 шестиугольных сегментов легкого элемента бериллия, каждый размером примерно с журнальный столик. Сегменты после выхода на орбиту соединятся друг с другом, чтобы создать единое полотно без стыков.
Одной из ключевых особенностей зеркала является то, что оно покрыто слоем золота, примерно в 200 раз тоньше, чем средний человеческий волос. Золото — это то, что позволяет JWST видеть в инфракрасном диапазоне – тип света, который связан с некоторыми из самых отдаленных галактик и звезд в космосе.
Поскольку Вселенная расширяется, самые удаленные от Земли объекты удаляются гораздо быстрее, чем объекты, которые находятся ближе к нам.
Джеймс Уэбб, с его золотыми зеркалами, должен иметь возможность видеть инфракрасный свет от галактик, которые пересекли 13,6 миллиардов световых лет, чтобы добраться до Земли. Снимки, сделанные телескопом с помощью этого зеркала, буквально взгляд в прошлое.
Возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд лет, то объекты на расстоянии 13,6 млрд световых лет появились через 100-200 млн лет после Большого взрыва. Изучив их, ученые смогут узнать недостающие факты из истории Вселенной.
Глазами Джеймса Уэбба считается камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, с помощью которой ученые могут увидеть свет от самых ранних объектов Вселенной, очаги темной материи и многое другое.
Самым чувствительным прибором в инструментарии телескопа является MIRI — прибор среднего инфракрасного диапазона, оснащенный камерой с разрешением 1024×1024 пикселя, а также спектрографом.
С помощью мышьяко-кремниевых детекторов прибора ученые планируют увидеть красное смещение очень далеких галактик, заглянуть «за пояс» Койпера, изучить «девятую планету Солнечной системы» — гипотетическую планету Х.
Дуэт приборов FGS/NIRISS — состоит из датчика точного наведения и устройства создания изображения в ближнем инфракрасном диапазоне с бесщелевым спектрографом. Устройства отвечают за фокусировку и анализ состояния телескопа, необходимый на начальном этапе орбитальных испытаний.
Впоследствии FGS/NIRISS будут полезными в целях обнаружения и изучения экзопланет. Например, камера FGS умеет считывать информацию 16 раз в секунду с небольших групп пикселей размером 8×8. Это позволяет определять опорную звезду с вероятностью в 95% в любой точке Вселенной.
Первые результаты работы
Публикация первых полноцветных изображений и спектров телескопа Джеймс Уэбб знаменует начало новой эры астрономии. Космическая обсерватория позволит ученым всего мира наблюдать и изучать различные объекты, расположенные в пределах Солнечной системы, вплоть до ранней Вселенной.
12 июля 2022 года NASA официально представило первые фото, сделанные космическим телескопом Джеймс Уэбб. В преддверии этого события ведомство опубликовало снимок, сделанный датчиком точного наведения (FGS) телескопа в процессе отладки, благодаря чему можно составить представление о том, чего следует ждать в дальнейшем от космической обсерватории.
Переданные телескопом снимки, хоть и на короткое время, стали самыми глубокими изображениями Вселенной за всю историю наблюдений.
Снимок FGS окрашен с использованием красноватой цветовой схемы, которая применялась к другим изображениям, сделанным в процессе настройки приборов Джеймса Уэбба.
Кроме того, центры ярких звезд выглядят черными, поскольку они насыщают детекторы телескопа, а наведение не изменялось в процессе создания серии экспозиций. Следы наложения разных экспозиций видны по краям изображения.
Хотя четыре научных инструмента, размещенных в конструкции космической обсерватории Джеймс Уэбб, позволят по-новому взглянуть на Вселенную, датчик FGS является единственным инструментом, который будет использоваться в каждом наблюдении телескопа на всем протяжении срока службы. Он также играл важную роль в процессе выравнивания оптики телескопа.
Первая подборка полноценных изображений, полученных инструментами новой обсерватории, включает снимки галактик, туманностей и экзопланеты. Перечень объектов сформирован специалистами NASA, Европейского космического агентства (ESA), Канадского космического агентства (CSA) и Института исследований космоса с помощью космического телескопа.
Список включает пять снятых на камеры структур на просторах Вселенной:
Туманность Киля (Carina Nebula)
Одна из крупнейших областей звездобразования в Млечном Пути. Объект располагается на расстоянии примерно 7500 световых лет от нас в созвездии Киля и простирается более чем на 300 световых лет. Туманность Киля является одной из крупнейших областей звездообразования в нашей галактике Млечный Путь. Высота самых больших «скал» на опубликованном снимке около 7 световых лет.
WASP-96 b
Огромная планета, расположенная за пределами Солнечной системы. Газовый гигант, находящийся на расстоянии примерно 1150 световых лет от Земли. Масса экзопланеты приблизительно равна половине массы Юпитера. Первое наблюдение телескопа показало наличие признаков присутствия в атмосфере WASP-96b воды, что не фиксировалось в ходе предыдущих исследований этого объекта.
Вопросы и ответы
Это пока не уточняется. Его могут, например, вывести на гелиоцентрическую орбиту, где он останется постоянно в отключенном состоянии, как это было с инфракрасным телескопом «Гершель». При этом астрономы надеются, что техническое состояние «Хаббла» позволит хотя бы несколько лет двум телескопам работать совместно.
Минимальный срок работы телескопа – около 6 лет. Через 10 лет после запуска у него закончится топливо, и он потеряет способность поддерживать устойчивую гало-орбиту вокруг точки Лагранжа.