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.
Молодые галактики и инопланетные атмосферы
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?
Испытания и репетиции
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".
Требуется некоторое выравнивание
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.
Многие биологи считают, что есть, такие типы вирусов: бактериофаги или вирусы, заражающие бактерии. Когда ДНК этих вирусов попадает в клетку, она может содержать инструкции, позволяющие клетке выполнять новые трюки.
Могучая сила бактериальных вирусов
Бактериофаги, или сокращенно фаги, держат под контролем популяции бактерий как на суше, так и в море. Ежедневно они убивают до 40% бактерий в океанах, помогая контролировать цветение бактерий и перераспределение органических веществ.
Их способность избирательно убивать бактерии также радует врачей. Природные и сконструированные фаги успешно используются для лечения бактериальных инфекций, которые не поддаются антибиотикам. Этот процесс, известный как фаговая терапия, может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Последние исследования указывают на еще одну важную функцию фагов: они могут быть самыми лучшими генетическими мастерами природы, создающими новые гены, которые клетки могут перестраивать для получения новых функций.
Фаги являются самой распространенной формой жизни на планете: в любой момент в мире насчитывается не один миллион - это единица с 31 нулем после нее. Как и все вирусы, фаги имеют высокую скорость репликации и мутации, то есть при каждом размножении они образуют множество вариантов с различными характеристиками.
Большинство фагов имеют жесткую оболочку, называемую капсидом, которая заполнена их генетическим материалом. Во многих случаях оболочка имеет больше места, чем требуется фагу для хранения ДНК, необходимой для его репликации. Это означает, что у фагов есть место для хранения дополнительного генетического багажа: генов, которые на самом деле не нужны для выживания фага и которые он может изменять по своему усмотрению.
Как бактерии перенастроили вирусный переключатель?
Чтобы понять, как это происходит, давайте более подробно рассмотрим жизненный цикл фага.
Фаги бывают двух основных видов: умеренные и вирулентные. Вирулентные фаги, как и многие другие вирусы, действуют по программе "вторжение-репликация-убийство". Они проникают в клетку, захватывают ее компоненты, создают свои копии и вырываются наружу.
Фаги умеренного типа, с другой стороны, играют в долгую игру. Они соединяют свою ДНК с ДНК клетки и могут лежать в спящем состоянии годами, пока что-то не вызовет их активацию. Тогда они возвращаются к вирулентному поведению: реплицируются и вырываются наружу.
Многие умеренные фаги используют повреждение ДНК в качестве пускового механизма. Это своего рода сигнал "Хьюстон, у нас проблема". Если ДНК клетки повреждается, это означает, что ДНК фага-резидента, скорее всего, будет повреждена следующей, поэтому фаг мудро решает перепрыгнуть на другой корабль. Гены, которые направляют фаг на репликацию и вырываются наружу, выключены, если не обнаружено повреждение ДНК.
Бактерии перенастроили механизмы, контролирующие этот жизненный цикл, чтобы создать сложную генетическую систему, которую ученые изучают уже более двух десятилетий.
Бактериальные клетки также заинтересованы в том, чтобы знать, не повреждается ли их ДНК. Если это так, они активируют набор генов, которые пытаются восстановить ДНК. Эта реакция известна как бактериальная реакция SOS, потому что если она не сработает, клетка погибнет. Бактерии организуют SOS-ответ с помощью белка, похожего на переключатель, который реагирует на повреждения ДНК: Он включается, если есть повреждение, и выключается, если его нет.
Возможно, что бактериальные и фаговые переключатели эволюционно родственны. В связи с этим возникает вопрос: Кто изобрел переключатель, бактерии или вирусы?
Предыдущие исследования и работы других исследователей показывают, что фаги сделали это первыми. В нашем недавнем докладе мы обнаружили, что SOS-реакция бактерий Bacteroidetes, группы бактерий, составляющих до половины бактерий, живущих в вашем кишечнике, находится под контролем фагового переключателя, который был перенастроен для реализации собственных сложных генетических программ бактерий. Это позволяет предположить, что бактериальные SOS-переключатели на самом деле являются фаговыми переключателями, которые были перенастроены много веков назад.
Не только бактериальные переключатели оказываются изобретениями фага. Прекрасная детективная работа показала, что бактериальный ген, необходимый для деления клеток, также возник в результате "одомашнивания" гена токсина фага. А многие системы бактериальной атаки, такие как токсины и генетическое оружие, используемое для их введения в клетки, а также камуфляж, который они используют для уклонения от иммунной системы, известны или подозреваются в фаговом происхождении.
Положительные стороны вирусов.
Хорошо, подумаете вы, фаги - это здорово, но вирусы, которые нас заражают - это, конечно, не круто. Тем не менее, появляется все больше доказательств того, что вирусы, заражающие растения и животных, также являются основным источником генетических инноваций в этих организмах. Например, было показано, что одомашненные вирусные гены играют ключевую роль в эволюции плаценты млекопитающих и в поддержании влажности кожи человека.
Последние данные свидетельствуют о том, что даже ядро клетки, в котором находится ДНК, также могло быть вирусным изобретением. Исследователи также предположили, что предки современных вирусов могли быть пионерами в использовании ДНК в качестве первичной молекулы для жизни. Не такой уж маленький подвиг.
Поэтому, хотя вы привыкли считать вирусы квинтэссенцией злодея, они, возможно, являются мощным двигателем генетических инноваций в природе. Люди существуют сегодня, скорее всего, благодаря им.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Техническая поддержка проекта ВсеТут