Космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope): дата запуску, обладнання

Космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope): дата запуску, обладнання


З кожним додатковим сантиметром апертури, кожною додатковою секундою часу спостереження і кожним додатковим атомом атмосферних перешкод, видаленим з поля огляду телескопа, краще, глибше і зрозуміліше можна буде побачити Всесвіт.

25 років «Хабблу»

Коли телескоп «Хаббл» почав функціонувати в 1990 році, він відкрив нову еру в астрономії - космічну. Не потрібно було більше боротися з атмосферою, турбуватися про хмари або електромагнітні мерехтіння. Все, що було потрібно, - це розгорнути супутник на мету, стабілізувати його і збирати фотони. За 25 років космічні телескопи почали охоплювати весь електромагнітний спектр, що дозволило вперше роздивитися Всесвіт на кожній довжині хвилі світла.

Але оскільки наше знання збільшилося, зросло і наше розуміння невідомого. Чим далі ми заглядаємо у Всесвіт, тим глибше минуле ми бачимо: кінцеву кількість часу з моменту Великого вибуху в поєднанні з кінцевою швидкістю світла забезпечує межу того, що ми можемо спостерігати. Більш того, розширення самого простору працює проти нас, розтягуючи довжину хвилі світла зірок, поки він подорожує по Всесвіту до наших очей. Навіть космічний телескоп «Хаббл», що дає нам найглибше, найбільш захоплююче зображення Всесвіту, яке ми коли-небудь відкривали, в цьому відношенні обмежений.

Недоліки «Хаббла»

«Хаббл» - дивовижний телескоп, але він має ряд принципових обмежень:

  • Всього 2,4 м в діаметрі, що обмежує його дозволну здатність.
  • Незважаючи на покриття світловідбиваючими матеріалами, він постійно знаходиться під прямими сонячними променями, які його нагрівають. Це означає, що через теплові ефекти він не може спостерігати довжину хвилі світла понад 1,6 мкм.
  • Поєднання обмеженої світлосили і довжин хвиль, до яких він чутливий, означає, що телескоп може бачити галактики віком не старше 500 млн років.

Ці галактики прекрасні, далекі і існували тоді, коли Всесвіту було всього близько 4% від її нинішнього віку. Але відомо, що зірки і галактики існували ще раніше.

Щоб побачити це, телескоп повинен мати більш високу чутливість. Це означає перехід на більш довгі хвилі і більш низькі температури, ніж у «Хаббла». Саме тому і створюється космічний телескоп Джеймса Вебба.

Перспективи для науки

James Webb Space Telescope (JWST) призначений для подолання саме цих обмежень: з діаметром 6,5 м телескоп дозволяє збирати в 7 разів більше світла, ніж «» Хаббл «». Він відкриває можливість ультра-спектроскопії високої роздільної здатності від 600 нм до 6 мкм (в 4 рази більше довжини хвилі, яку здатний побачити "" Хаббл "), проводити спостереження в середній інфрачервоній області спектра з більш високою чутливістю, ніж коли-небудь раніше. JWST використовує пасивне охолодження до температури поверхні Плутона і здатний активно охолоджувати прилади середньої інфрачервоної області аж до 7 K. Телескоп Джеймса Вебба дасть можливість займатися наукою так, як ніхто раніше цього не робив.

Він дозволить:

  • спостерігати найбільш ранні галактики, які коли-небудь сформувалися;
  • бачити крізь нейтральний газ і зондувати перші зірки і реіонізацію Всесвіту;
  • проводити спектроскопічний аналіз найперших зірок (населення III), що утворилися після Великого вибуху;
  • отримати дивовижні сюрпризи, подібні до відкриття найбільш ранніх надмасивних чорних дір і квазарів у Всесвіті.

Рівень наукових досліджень JWST не схожий ні на що в минулому, і тому телескоп був обраний в якості флагманської місії НАСА 2010-х років.

Науковий шедевр

З технічної точки зору, новий телескоп Джеймса Вебба являє собою справжній твір мистецтва. Проект пройшов довгий шлях: були перевитрати бюджету, відставання від графіка і небезпека скасування проекту. Після втручання нового керівництва все змінилося. Проект раптом заробив як годинник, були виділені кошти, враховані помилки, невдачі і проблеми, і команда JWST стала вкладатися в усі терміни, графіки і бюджетні рамки. Запуск апарату запланований на жовтень 2018 року на ракеті «Аріан-5». Команда не тільки слідує розкладу, у неї є дев'ять місяців в запасі, щоб врахувати всі непередбачені ситуації, щоб все було зібрано і готове до цієї дати.

Телескоп Джеймса Вебба складається з 4 основних частин.

Оптичний блок

Включає всі дзеркала, з яких найбільш ефективні вісімнадцять первинних сегментованих позолочених дзеркала. Вони будуть використовуватися для збору далекого зоряного світла і фокусування його на інструментах для аналізу. Всі ці дзеркала в даний час готові і бездоганні, зроблені точно за розкладом. Після закінчення збірки вони будуть складені в компактну конструкцію, щоб бути запущеними на відстань понад 1 млн км від Землі до точки Лагранжа L2, а потім автоматично розгорнутися з утворенням стільникової структури, яка довгі роки буде збирати наддальне світло. Це дійсно красива річ і успішний результат титанічних зусиль багатьох фахівців.

Камера ближнього інфрачервоного діапазону

«Вебб» обладнаний чотирма науковими інструментами, які вже готові на 100%. Основною камерою телескопа є камера ближнього ВК-діапазону: від видимого помаранчевого світла до глибокої інфрачервоної області. Вона дозволить отримати безпрецедентні зображення найбільш ранніх зірок, наймолодших галактик, що знаходяться ще в процесі формування, молодих зірок Чумацького Шляху і прилеглих галактик, сотень нових об'єктів в поясі Койпера. Вона оптимізована для безпосереднього отримання зображень планет навколо інших зірок. Це буде основна камера, яка використовується більшістю спостерігачів.

Ближній інфрачервоний спектрограф

Цей інструмент не тільки поділяє світло на окремі довжини хвиль, але здатний це робити для понад 100 окремих об'єктів одночасно! Цей прилад буде універсальним спектрографом «Вебба», який здатний працювати в 3-х різних режимах спектроскопії. Він був побудований Європейським космічним агентством, але багато компонентів, включаючи детектори і батарея мульти-затвора, надані Центром космічних польотів ім. Годдарда (НАСА). Цей прилад був протестований і готовий до встановлення.

Середньо-інфрачервоний інструмент

Прилад буде використовуватися для широкосмугової візуалізації, тобто з його допомогою будуть отримані найбільш вражаючі зображення з усіх інструментів «Вебба». З наукової точки зору, він буде найбільш корисним при вимірюванні протопланетних дисків навколо молодих зірок, вимірюванні та візуалізації з безпрецедентною точністю об'єктів поясу Койпера і пилу, розігрітою світлом зірок. Він буде єдиним інструментом з кріогенним охолодженням до 7 К. Порівняно з космічним телескопом Spitzer, це дозволить поліпшити результати в 100 разів.

Безщілинний спектрограф ближнього ІК-діапазону (NIRISS)

Прилад дозволить проводити:

  • ширококутну спектроскопію в ближній інфрачервоній області довжин хвиль (1,0 - 2,5 мкм);
  • гризм-спектроскопію одного об'єкта у видимому та інфрачервоному діапазоні (0,6 - 3,0 мкм);
  • апертурно-маскуючу інтерферометрію на довжинах хвиль 3,8 - 4,8 мкм (де очікуються перші зірки і галактики);
  • широкодіонну зйомку всього поля зору.

Цей інструмент створений Канадським космічним агентством. Після проходження кріогенного тестування він також буде готовий до інтеграції в приладовий відсік телескопа.

Сонцезахисний пристрій

Космічні телескопи ними ще не обладналися. Однією з найбільш лякаючих сторін кожного запуску є застосування абсолютно нового матеріалу. Замість того, щоб охолоджувати весь космічний апарат активно за допомогою одноразового хладагента, телескоп Джеймса Вебба використовує абсолютно нову технологію - 5-шаровий сонцезахисний екран, який буде розгорнуто для відбиття сонячного випромінювання від телескопа. П'ять 25-метрових листів будуть з'єднані титановими стрижнями і встановлені після розгортання телескопа. Захист тестувався в 2008 і 2009 роках. Повномасштабні моделі, які брали участь у лабораторних випробуваннях, виконали все, що вони повинні були зробити, тут на Землі. Це красива інновація.

До того ж це ще й неймовірна концепція: не просто блокувати світло від Сонця і помістити телескоп в тіні, а зробити це таким чином, щоб все тепло випромінювалося в напрямку, протилежному орієнтації телескопа. Кожен з п'яти шарів у вакуумі космосу буде стає холодним у міру видалення від зовнішнього, який буде трохи теплішим, ніж температура поверхні Землі - близько 350-360 K. Температура останнього шару повинна опуститися до 37-40 К, що холодніше, ніж вночі на поверхні Плутона.

Крім того, вжито значних заходів обережності для захисту від несприятливого середовища глибокого космосу. Однією з речей, про які тут слід турбуватися, є крихітні камінчики, розміром з гальку, піщинки, пилинки і ще менше, що пролітають через міжпланетний простір зі швидкістю десятків або навіть сотень тисяч км/год. Ці мікрометеорити здатні проробляти крихітні, мікроскопічні отвори у всьому, з чим вони стикаються: космічних апаратах, костюмах космонавтів, дзеркалах телескопів і багато іншого. Якщо дзеркала отримають тільки вм'ятини або отвори, що злегка зменшить кількість доступного «хорошого світла», то сонячний щит може порватися від краю до краю, що зробить весь шар марним. Для боротьби з цим явищем була використана блискуча ідея.

Весь сонячний щит був розділений на ділянки таким чином, що, якщо виникне невеликий розрив в одному, двох або навіть трьох з них, шар не порветься далі, як тріщина в лобовому склі автомобіля. Секціонування збереже всю структуру цілої, що важливо для запобігання деградації.

Космічний апарат: системи збірки та управління

Це самий звичайний компонент, оскільки є у всіх космічних телескопів і наукових місій. У JWST він унікальний, але також повністю готовий. Все, що залишилося зробити генеральному підряднику проекту компанії Northrop Grumman, - закінчити щит, зібрати телескоп і перевірити його. Апарат буде готовий до запуску через 2 роки.

10 років відкриттів

Якщо все піде правильно, людство опиниться на порозі великих наукових відкриттів. Завіса нейтрального газу, яка досі затуляла огляд найбільш ранніх зірок і галактик, буде усунена інфрачервоними можливостями «Вебба» і його величезною світлосилою. Це буде найбільший, найчутливіший телескоп з величезним діапазоном довжин хвиль від 0,6 до 28 мікрон (людське око бачить від 0,4 до 0,7 мкм) з коли-небудь побудованих. Очікується, що він забезпечить десятиліття спостережень.

Згідно НАСА, термін місії «Вебба» складе від 5,5 до 10 років. Він обмежений кількістю палива, яке необхідне для підтримки орбіти, і терміном служби електроніки та обладнання в суворих умовах космосу. Орбітальний телескоп Джеймса Вебба нестиме запас палива на весь 10-річний термін, а через 6 місяців після запуску буде проведено тестування забезпечення польоту, яке гарантує 5 років наукових робіт.

Що може піти не так?

Основним обмежувальним фактором є кількість палива на борту. Коли воно закінчиться, супутник буде дрейфувати в бік від точки Лагранжа L2, вийшовши на хаотичну орбіту в безпосередній близькості від Землі.

Комі цього, можуть статися й інші неприємності:

  • деградація дзеркал, яка вплине на кількість збирання світла і створить артефакти зображення, але не зашкодить подальшій експлуатації телескопа;
  • вихід з ладу частини або всього сонячного екрану, що призведе до підвищення температури космічного апарату і звузить діапазон довжин хвиль до дуже близької інфрачервоної області (2-3 мкм);
  • поломка системи охолодження інструменту середнього ВК-діапазону, що зробить його непридатним для використання, але не вплине на інші інструменти (від 0,6 до 6 мкм).

Найбільш важке випробування, яке очікує телескоп Джеймса Вебба, - запуск і виведення на задану орбіту. Саме ці ситуації тестувалися і були успішно пройдені.

Революція в науці

Якщо телескоп імені Джеймса Вебба запрацює в штатному режимі, палива вистачить, щоб забезпечити його роботу з 2018 по 2028 рік. Крім того, існує потенційна можливість дозаправки, яка могла б збільшити термін служби телескопа ще на одне десятиліття. Подібно до того, як «Хаббл» експлуатувався протягом 25 років, JWST міг би забезпечити покоління революційної науки. У жовтні 2018 року ракета-носій «Аріан-5» виведе на орбіту майбутнє астрономії, яке після понад 10 років напруженої роботи вже готове почати приносити плоди. Майбутнє космічних телескопів майже настало.