Проект нового космічного телескопа — від задуму до запуску — розтягнувся більш ніж на 25 років. За цей час його бюджет зріс на порядок, і зараз вартість створення цього інструменту оцінюється в 10-11 мільярдів доларів, що, наприклад, вдвічі перевищує бюджет спорудження великого адронного колайдера. У якийсь момент навіть деякі вчені скептично висловлювалися про розробку «вебба», кажучи, що новий космічний телескоп з’їдає занадто велику частину наукового бюджету nasa. У 2011 році конгрес ледь не припинив проект, але його вдалося відстояти. І ось телескоп повністю готовий. Наближається момент істини: доля цієї колосальної праці вирішиться під час запуску і наступного місяця розгортання складної конструкції — аж до виходу інструменту на розрахункову орбіту навколо точки лагранжа, в півтора мільйонах кілометрів від землі.
зміна прийшла
Телескоп «вебб «приходить на зміну найзнаменитішому астрономічному інструменту — запущеному в 1990 році космічному телескопу»хаббл». «хаббл» дозволив зробити масу чудових відкриттів — це і прискорене розширення всесвіту, і широке поширення центральних чорних дір в галактиках, і численні гравітаційні лінзи, що дозволяють уточнити розподіл темної матерії у всесвіті. А ще «хаббл» кардинально змінив образ астрономії в очах широкої публіки. Саме йому ми зобов’язані тими повнокольоровими детально промальованими знімками об’єктів глибокого космосу, які сьогодні стали такими звичними.
Астрономам, які ведуть спостереження крізь товщу атмосфери за допомогою наземних телескопів, важко отримати знімки такої якості. По-перше, тремтіння повітря розмиває зображення, не дозволяючи великим телескопам досягати граничного теоретичного дозволу. Втім, з цією проблемою за останні 30 років навчилися боротися за допомогою адаптивної оптики: для компенсації внесених атмосферою спотворень, в реальному часі злегка згинають дзеркало телескопа.
По-друге, природне світіння атмосфери не дозволяє бачити слабкі об’єкти, поверхнева яскравість яких нижче яскравості неба. Всі бачили, як блідо виглядає днем місяць – її поверхнева яскравість порівнянна з фоном денного неба. Будь вона трохи слабкіше, її б зовсім не було видно. Точно так само туманності і галактики з низькою поверхневою яскравістю неможливо побачити з землі, оскільки вони тонуть на тлі нічного неба. І з цим без виведення телескопа в космос нічого не поробиш.
Діаметр головного дзеркала «вебба «становить 6,6 метра проти 2,4 метра у» хаббла», а світлозбираюча поверхня відповідно зросла в шість з гаком разів — до 25,4 квадратного метра. Однак було б неправильно вважати новий інструмент просто збільшеним «хабблом». Головна відмінність стосується робочого спектрального діапазону. «хаббл» — це оптичний інструмент, що працює насамперед у видимому діапазоні (плюс ближні іч і уф). «вебб» буде спостерігати в середньому інфрачервоному діапазоні.
одне з зображень, отримане «хабблом» / nasa, esa, h. Teplitz and m. Rafelski (ipac/caltech), a. Koekemoer (stsci), r. Windhorst (arizona state university) і z. Levay (stsci)
інфрачервоні надії
Наземні спостереження обмежені вікнами прозорості атмосфери, які не дуже великі. Оптичне вікно прозорості трохи ширше діапазону видимого випромінювання — з довжинами хвиль від 300 до 2000 нанометрів. Радіоокно охоплює діапазон від одного міліметра до 20 метрів. В іншій частині спектра повноцінні спостереження можна вести тільки з космосу. Особливий інтерес для астрофізики представляє інфрачервоне випромінювання, що знаходиться за оптичним вікном прозорості.
Через космологічне червоне зміщення світло далеких галактик зміщується в бік довших хвиль. Через це ні «хаббл», ні наземні телескопи не можуть бачити світло перших з’явилися у всесвіті зірок, тих самих, що утворилися після великого вибуху з суміші водню і гелію ще без домішки важких елементів. Ці зірки, які відносяться до гіпотетичного населення iii типу, поки ще ніхто не спостерігав. Фахівці досі сперечаються про їх особливості. Багато астрофізики вважають, що первинні зірки могли бути значно масивніше сучасних, швидко вигоряли, збагачуючи середовище важкими елементами, і могли стати родоначальниками центральних чорних дір галактик. Імовірно, ці зірки починають народжуватися на червоному зміщенні z = 25, і в стільки ж разів повинна вирости довжина хвилі приходить від них світла: замість видимого випромінювання 400-700 нанометрів, до нас надходить інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі 10-20 мікрометрів. Зараз вдається відкривати галактики з z трохи більше 10, що відповідає віку всесвіту 400-500 мільйонів років, коли зірок вже було багато, а їх випромінювання швидко іонізувало міжгалактичне середовище. Телескоп» вебб » дозволить зазирнути істотно далі, аж до віку 150 мільйонів років.
Інша, не менш цікава можливість, яку нам надасть «вебб«, — шанс зазирнути всередину» зоряних колисок» галактики. Зірки народжуються при колапсі міжзоряних молекулярно-пилових хмар. Але при ущільненні такі хмари стають непрозорими для видимого світла — його поглинає міститься в них пил. Тому «хабблу» був доступний тільки їх зовнішній вигляд. А ось інфрачервоне випромінювання може виходити зсередини таких хмар, оскільки його довжина хвилі в середньому більше розмірів пилових частинок. Більш того, якраз у формі іч-випромінювання такі хмари, закрившись від зовнішнього світу пилом, скидають зайве тепло, яке заважає колапсу. Новий телескоп дасть можливість заглянути всередину цих хмар і перевірити теоретичні уявлення про протікають там процесах.
Нарешті, одна з найбільш захоплюючих тем — вивчення холодних (тобто схожих по температурі на землю) екзопланет. Їх температурі якраз відповідає випромінювання середнього іч-діапазону. Це ті самі довжини хвиль, на яких земля розсіює в космосі отримане від сонця тепло.
повномасштабна сонцезахисна мембрана jwst, встановлена на випробувальному стенді в мантехі, хантсвілл, готова до точного вимірювання її тривимірної форми / nasa jwst, northrop grumman aerospace systems (cc by)
У космосі занадто жарко!
Однак саме через це тепла землі телескоп «вебб» не можна виводити на низьку навколоземну орбіту, подібно «хабблу». На такій орбіті майже вся нижня півсфера зайнята нашою планетою, яка» світить » із середньою температурою близько 260 кельвінів, що якраз відповідає середньому інфрачервоному діапазону. Такий великий джерело не можна екранувати, а примусово охолоджувати величезне дзеркало і всю іншу апаратуру було б надзвичайно складно. Тому для розміщення» вебба » була обрана точка лагранжа l2, що знаходиться в півтора мільйонах кілометрів позаду землі, якщо дивитися з боку сонця.
Точки лагранжа — це місця в системі двох обертових тіл, в яких досягається нестійка рівновага для поміщеної туди пробної частинки. У нашому випадку два тіла-це сонце і земля, а пробна частинка — космічний телескоп. У точці l2 телескоп обертається навколо сонця з тим же періодом, що і земля, — один рік. Але як це можливо, якщо велика піввісь його орбіти навколо сонця на півтора мільйона кілометрів більше земної? здавалося б, за третім законом кеплера період обігу для такої орбіти повинен бути на п’ять днів більше. Вся справа — в тяжінні землі. Воно створює якраз таку добавку до сонячного тяжіння, що період обертання навколо сонця по розширеній орбіті все-таки дорівнює одному року. Слід також уточнити, що телескоп не буде розміщуватися строго в точці лагранжа. Він буде рухатися навколо неї по досить складній орбіті радіусом близько 800 тисяч кілометрів. І хоча формально ця орбіта нестійка через збурень з боку інших планет і місяця, а також тиску сонячного випромінювання, для збереження телескопа на потрібній орбіті досить буде мінімальних корекцій траєкторії — на два-чотири метри в секунду за рік.
Втім, видалення від землі не вирішує до кінця проблему з охолодженням інструменту. Адже на орбіті навколо точки лагранжа телескоп постійно буде перебувати на сонці. Однак, оскільки сонце дає спрямоване світло, від нього можна затулитися спеціальним екраном. На телескопі «вебб» він складається з п’яти шарів тонкої плівки, кожен площею близько 200 квадратних метрів. Той шар, що звернений до сонця, буде нагріватися до 85 °c. Ця плівка буде віддавати тепло приблизно порівну в двох напрямках-назад до сонця і в протилежну сторону — до наступного екрану. Тим самим до другого шару плівки дійде вдвічі менше енергії, і він нагріється менше. Аналогічно з іншими шарами і в підсумку на тіньовій стороні температура становитиме не більше 40 кельвінів (мінус 233 °c).
Це вже достатньо, щоб не було потрібно охолоджувати дзеркала, конструкцію і більшість науковихПриладів телескопа. Але один прилад-miri (mid-infrared instrument), що реєструє інфрачервоне випромінювання, вимагає ще більш глибокого охолодження — до шести кельвінів. Такої температури можна досягти, тільки охолоджуючи апаратуру рідким гелієм, запас якого береться у величезному дьюарі вагою 250 кілограмів. За планами його повинно вистачити як мінімум на п’ять років роботи, але, можливо, вдасться розтягнути на 10 років.
без права на помилку
І тут ми стикаємося з ще однією важливою відмінністю від «хаббла « — до телескопа» вебб» ніяк не вийде відправити астронавтів для обслуговування. Нагадаємо, що до «хабблу» сервісні експедиції на шатлах відправлялися п’ять разів — безпрецедентний випадок в історії космонавтики. Все почалося з того, що після виведення «хаббла» на орбіту з’ясувалося, що його головне дзеркало виготовлено з помилками, і не дозволяє отримувати зображення прийнятної якості. Замінити його, звичайно, було неможливо, але вдалося спроектувати коригувальну систему, яку астронавти встановили замість одного з наукових приладів (високошвидкісного фотометра). Згодом астронавти неодноразово змінювали гіроскопи стабілізації, які мають обмежений ресурс, дозаправляли систему охолодження рідким азотом і, найголовніше, оновлювали реєструючі прилади. Адже 1990-2000-ті були періодом прискореного розвитку пзс-матриць і процесорів — ті детектори, з якими «хаббл» стартував, давали якість зображення приблизно як у побутової відеокамери.
готове до тесту продуктивності серце ближньої інфрачервоної камери jwst. Це 16-мегапіксельна мозаїка світлових датчиків, вона складається з чотирьох окремих чіпів, встановлених разом з чорною маскою, що закриває проміжки між чіпами. / k. W. Don, university of arizona (cc by)
Так ось — ніяких шансів на подібне обслуговування в космосі у телескопа імені джеймса вебба немає. Його робоча орбіта буде розташовуватися майже в чотири рази далі місяця. Так далеко люди ще ніколи не забиралися. Та й сама конструкція телескопа не передбачає подібного втручання. А значить, якщо щось піде не так, шансів налагодити роботу телескопа буде небагато. При цьому його конструкція незмірно складніше, ніж у «хаббла».
позолочений берилій
В оптичній системі телескопа використана тризеркальна оптична схема корша, винайдена в 1972 році. Двозеркальна система кассегрена, яка застосовується в більшості телескопів, в тому числі в «хаббл», не дозволяє компенсувати всі аберації одержуваного зображення. Система корша виправляє одночасно сферичну аберацію, кому, астигматизм і кривизну поля, тобто практично всі основні недоліки оптики. При цьому головне дзеркало має параболічну форму, вторинне являє собою опуклий гіперболоїд, а третинне — ексцентричний увігнутий еліпсоїд. Тільки уявіть, який тут простір для можливих помилок на зразок тієї, яка була допущена з головним дзеркалом «хаббла».
оптична схема телескопа «джеймс вебб». Головне параболічне дзеркало збирає випромінювання, вторинне гіперболічне збільшує ефективну фокусну відстань, третинне еліптичне виправляє аберації, а нахили четвертого плоского підлаштування дзеркала компенсують невеликі відхилення в орієнтації телескопа / stsci.edu
Але, звичайно, головну складність представляв дизайн основного дзеркала»вебба». Жодна ракета не може поки вивести в космос дзеркало діаметром 6,6 метра. І навіть на землі маніпулювати таким дзеркалом нелегко. Тому вже давно у великих земних телескопах використовуються сегментовані дзеркала, що дозволяє значно знизити вагу конструкції. Дзеркало «вебба» складено з 18 шестикутних сегментів, які при роботі повинні бути вирівняні з точністю до десятків нанометрів — інакше якісного зображення не отримати.
На землі такі дзеркала розвантажуються на спеціальні актуатори — регульовані опори, які кріпляться на жорсткій рамі, що охоплює весь діаметр дзеркала. Але для космічного телескопа «вебба» дзеркало довелося робити складним: дві групи по три шестикутних сегмента при старті повернені під кутом більше 90° до центральної частини і повинні бути розгорнуті вже після старту на шляху до цільової орбіти.
Технологія виготовлення самих дзеркал теж була незвичайною. Досить сказати, що заради скорочення ваги їх вирішили робити не зі скла, як у «хаббла», а з берилію. Він був обраний не тільки тому, що це дуже легкий метал, але і тому, що він не відчуває значних деформацій при кріогенних температурах. З тильного боку в берилієвих заготовках вифрезеровані пази, щоб знизити вагу, а форма підтримується за рахунок залишених ребер жорсткості. Поверхня дзеркал покрита золотом, оскільки воно добре відображає інфрачервоне випромінювання у всьому робочому діапазоні довжин хвиль.
техніки та інженери тестують складну систему розгортання робочих поверхонь телескопа / nasa, chris gunn (cc by)
план польоту
А тепер простежимо подумки за планом польоту телескопа від старту до виходу на розрахункову орбіту. Підйом через атмосферу займе всього 3,2 хвилини, але це тільки найперший етап, попереду ще ціла низка критично важливих операцій. Після відділення від ракети-носія запускається розгінний блок, якому належить пропрацювати 27 хвилин, щоб направити телескоп до його робочої орбіти. Відразу після відділення від розгінного блоку розгортається панель сонячних батарей. Через кілька годин після цього на землю націлюється вузьконаправлена антена для високошвидкісного зв’язку.
На третій день польоту (операції можуть бути зрушені за часом) починається одна з найтонших процедур — розгортання сонцезахисних екранів. По боках від телескопа висуваються телескопічні щогли, на яких розтягуються п’ять шарів плівки товщиною менше волоса. Наскільки ризиковані подібні операції, ми знаємо з досвіду міжпланетної станції «галілео», якій після старту до юпітера так і не вдалося розгорнути велику антену для зв’язку з землею — цілком ймовірно, тоді завадив ефект вакуумного зварювання, коли труться металеві деталі у вакуумі намертво приварюються один до одного.
На одному з кінців сонцезахисного екрану додатково розгортається «плавник». Підставляючи його під сонячне світло або, навпаки, складаючи його, телескоп може скидати зайвий момент імпульсу (обертання) за рахунок ефекту сонячного вітрила (тиску світла). Це дозволяє не перевантажувати гіроскопи стабілізації, які, з досвіду «хаббла», значною мірою обмежують ресурс апарату.
З цього моменту телескоп починає поступово охолоджуватися, наближаючись до штатного кріогенного режиму роботи. На шостий день польоту розгортається штанга, що несе вторинне дзеркало телескопа. Потім з тильного боку головного дзеркала розкривається складений до того радіатор, який буде розсіювати в космос енергію, що виробляється бортовою апаратурою.
На дев’ятий день встають на місце складені до цього часу бічні сегменти головного дзеркала. На 14-й день розкривається збірка вторинного дзеркала і з цього моменту телескоп готовий до тонкої настройки і юстирування. Залишається ще два тижні до включення маневрових двигунів, які на 29-й день польоту повинні вивести телескоп на цільову орбіту навколо точки лагранжа.
Будемо сподіватися, що весь цей ланцюжок операцій пройде без збоїв. І тоді, після ще декількох місяців калібрувань і тестів найдорожчий науковий інструмент в історії почне свою дослідницьку роботу.
