Космический телескоп Джеймса Уэбба

Астроном из команды объясняет, как отправить гигантский телескоп в космос - и почему.

Космический телескоп "Джеймс Уэбб" был запущен в космос 25 декабря 2021 года, и с его помощью астрономы надеются найти первые сформировавшиеся во Вселенной галактики, будут искать похожие на земные атмосферы у других планет и решать многие другие научные задачи.

Чтобы заглянуть в глубины Вселенной, телескоп имеет очень большое зеркало, и его необходимо поддерживать в очень холодном состоянии. Но доставить такое хрупкое оборудование в космос - задача не из простых. Астрономам пришлось преодолеть множество трудностей, чтобы разработать, испытать и вскоре запустить и привести в соответствие самый мощный космический телескоп из когда-либо созданных.

Телескоп Уэбб имеет зеркало более 20 футов в поперечнике, солнцезащитный тент размером с теннисный корт для блокировки солнечной радиации и четыре отдельные системы камер и датчиков для сбора данных.

Он работает подобно спутниковой антенне. Свет от звезды или галактики попадает в устье телескопа и отражается от первичного зеркала к четырем датчикам: NIRCam, который делает снимки в ближней инфракрасной области; спектрограф ближней инфракрасной области, который может разделить свет от нескольких источников на составляющие цвета и измерить силу каждого из них; прибор средней инфракрасной области, который делает снимки и измеряет длины волн в средней инфракрасной области; и бесщелевой спектрограф ближней инфракрасной области, который разделяет и измеряет свет всего, на что ученые направляют спутник.

Эта конструкция позволит ученым изучить, как формируются звезды в Млечном Пути и атмосферы планет за пределами Солнечной системы. Возможно, удастся даже выяснить состав этих атмосфер.

С тех пор как Эдвин Хаббл доказал, что далекие галактики похожи на Млечный Путь, астрономы задаются вопросом: сколько лет самым старым галактикам? Как они сформировались? И как они изменились с течением времени? Телескоп Уэбба был первоначально назван "Машиной первого света", поскольку он предназначен для ответа именно на эти вопросы.

Одна из главных целей телескопа - изучение далеких галактик, расположенных близко к краю наблюдаемой Вселенной. Свету от этих галактик требуются миллиарды лет, чтобы пересечь Вселенную и достичь Земли. По моим оценкам, изображения могут показать протогалактики, сформировавшиеся всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва - когда их возраст составлял всего 2% от их нынешнего возраста.

Поиск первых скоплений звезд, образовавшихся после Большого взрыва, является сложной задачей по простой причине: эти протогалактики находятся очень далеко и поэтому кажутся очень слабыми.

Зеркало Уэбба состоит из 18 отдельных сегментов и может собирать более чем в шесть раз больше света, чем зеркало космического телескопа Хаббл. Далекие объекты также кажутся очень маленькими, поэтому телескоп должен быть способен сфокусировать свет как можно плотнее.

Телескопу приходится справляться и с другой проблемой: поскольку Вселенная расширяется, галактики, которые ученые будут изучать с помощью телескопа Уэбба, удаляются от Земли, и в дело вступает эффект Доплера. Подобно тому, как высота звука сирены машины скорой помощи смещается вниз и становится глубже, когда она проезжает мимо и начинает удаляться от вас, длина волны света далеких галактик смещается вниз от видимого света к инфракрасному.

Уэбб обнаруживает инфракрасный свет - по сути, это гигантский тепловой телескоп. Чтобы "увидеть" слабые галактики в инфракрасном свете, телескоп должен быть исключительно холодным, иначе все, что он увидит, будет его собственное инфракрасное излучение. Именно здесь на помощь приходит тепловой экран. Теплозащитный экран изготовлен из тонкого пластика, покрытого алюминием. Он состоит из пяти слоев толщиной 46,5 футов (17,2 метра) на 69,5 футов (21,2 метра) и сохраняет зеркало и датчики при температуре минус 390 градусов по Фаренгейту (минус 234 градуса по Цельсию).

Телескоп Уэбба - это невероятное достижение инженерной мысли, но как доставить такую вещь в космос и гарантировать, что она будет работать?

Космический телескоп Джеймса Уэбба будет находиться на орбите в миллионе миль от Земли - примерно в 4500 раз дальше, чем Международная космическая станция, и слишком далеко, чтобы его могли обслуживать астронавты.

В течение последних 12 лет команда испытывала телескоп и приборы, встряхивала их, чтобы имитировать запуск ракеты, и снова испытывала. Все охлаждалось и испытывалось в экстремальных условиях работы на орбите.

После испытаний начались репетиции. Телескоп будет управляться дистанционно с помощью команд, передаваемых по радиосвязи. Но поскольку телескоп будет находиться так далеко - сигнал проходит в одну сторону за шесть секунд - управление в реальном времени невозможно. Поэтому в течение последних трех лет команда астрономов ездила в Научный институт космического телескопа в Балтиморе и проводила репетиционные миссии на симуляторе, охватывающие все этапы - от запуска до обычных научных операций. Команда даже практиковалась в решении потенциальных проблем, которые организаторы испытаний подбрасывают им и мило называют "аномалиями".

Команда Уэбб продолжала репетировать и практиковаться вплоть до даты запуска, но работа еще далека от завершения.

Нужно подождать 35 дней после запуска, чтобы детали остыли, прежде чем приступить к юстировке. После того, как зеркало развернется, NIRCam сделает серию снимков высокого разрешения отдельных сегментов зеркала. Команда телескопа проанализирует эти изображения и даст команду двигателям отрегулировать сегменты с шагом, измеряемым миллиардными долями метра. Как только двигатели переместят зеркала в нужное положение, мы подтвердим, что юстировка телескопа идеальна. Эта задача настолько важна, что на борту есть две идентичные копии NIRCam - если одна выйдет из строя, другая сможет взять на себя работу по выравниванию.

Процесс выравнивания и проверки должен занять шесть месяцев. После завершения Уэбб начнет сбор данных. После 20 лет работы астрономы наконец-то получат телескоп, способный заглянуть в самые отдаленные уголки Вселенной.