- 25 лет работы.
- Более 300 точек отказа при запуске.
- 10 миллиардов долларов.
- Сотни уникальных инженерных решений.
- Единственный в своем роде.
- И отсутствие права на ошибку!
Все это можно сказать про телескоп Джеймса Уэбба!
Вам очень зашел наш прошлый материал про него и мы, как и обещали, делаем для вас продолжение!
Кстати, обязательно посмотрите прошлый ролик – там куча полезной информации, чтобы понять о чем мы тут будем говорить!
Сегодня мы расскажем о том, какие уникальные сенсоры стоят в телескопе и какие технологии стоят за ними. Расскажем как охладить что-то до температуры всего на 7 градусов больше абсолютного нуля только с помощью звука.
Поясним как использовать специальные микрозатворы, чтобы ограничивать, источники яркого света на матрице. А также как передавать гигабиты данных на миллион километров и поймем как исследовать и находить атмосферы планет в сотнях миллиардах километров от нас!
Ну а пока лишь скажем, что телескоп запустили и уже успешно развернули! А лететь до своей точки назначения ему осталось всего чуть-чуть!
Вступление
Итак. сначала надо кое-что напомнить.
У телескопа есть несколько очень важных задач – увидеть планеты в других звездных системах, изучить их атмосферу и заглянуть очень-очень далеко в прошлое.
К моменту, когда наша вселенная только зарождалась и для этого он должен уметь регистрировать сигнал в инфракрасном спектре! Почему в инфракрасном?
Видите ли, наша вселенная относительно старая – ей 13,8 миллиарда лет.
Первые галактики начали образовываться спустя пару сотен миллионов лет от большого взрыва, и вот как раз на эти события нам и надо посмотреть! В моменты зарождения первых звезд и галактик! Так вот, когда только эти галактики начинали образовываться, они излучали свет в ультрафиолетовом диапазоне. Но зачем тогда смотреть в ИК-спектре, если это совсем не те длины волн? Мы же ничего не увидим! Все дело как всегда в физике и тут дело в физике света!
В момент зарождения звезд и галактик излучается просто колоссальное количество света, жуткие вспышки и, в основном, в ультрафиолетовом спектре. Но за 13,6 миллиардов лет, пока этот свет от этих первых галактик летел до главного зеркала нового телескопа он почти весь просто рассеялся и поглотился.
Вы ведь помните, что скорость света конечна, а значит, если поймать фотоны, которые вылетели еще тогда, то мы сможем увидеть такое далекое прошлое! Но самое интересное, что свет еще и растянулся! Что-что? Как это растянулся?
Вы ведь слышали об эффекте Допплера? Это растягивание и сжатие звуковой волны - свет испытывает тоже самое.
И вот пока эта волна летела до телескопа миллиарды лет, она растянулась и ушла в ИК-диапазон! Это называется красным смещением.
Вот именно поэтому нам нужен ИК-спектр, но еще он помогает нам заглядывать за туманности. В космосе много всяких огромных облаков газа и пыли. Эти облака рассеивают свет в УФ и видимом спектре, но ИК-свет проходит легко!
Сразу вспоминается наш старый ролик про ИК-камеру OnePlus 8 Pro, которая могла смотреть сквозь одежду!
Но сколько же света сможет улавливать телескоп от таких далеких объектов? Это очень интересно. Ученые говорят, что телескоп будет улавливать в среднем всего 1 фотон света в секунду! Для сравнения, когда вы смотрите на звезду в ночном небе, то ваш глаз в среднем улавливает несколько миллионов фотонов в секунду от этой звезды.
Детекторы
Так что для нашего телескопа нужны очень чувствительные детекторы! Давайте на них и посмотрим.
И это действительно одни из самых чувствительных детекторов из когда-либо созданных человеком. Но не только чувствительных, но и энергоэффективных! Я просто напоминаю, что суммарно у всего телескопа есть всего 2 киловатта мощности. Этот огромный телескоп потребляет энергии, как чайник у вас на кухне, если он конечно электрический. Так что надо быть очень экономным!
Всего в телескопе установлены четыре различных детектора.
Три детектора – это камеры и спектрометры, которые работают в диапазоне от 0,6 до 5 микрометров. Это камеры, которые позволят, например, изучать планеты в других системах и анализировать их атмосферу!
Для работы этих детекторов их необходимо охладить и поддерживать при температуре около 39 Кельвинов. Для этого, если вы помните, основная часть телескопа защищена от воздействия солнца огромным пятислойным экраном, про который мы подробно рассказывали в первой части про телескоп.
NIRCam
Первый детектор называется NIRCam! Эта камера с разрешением 2048 на 2048 пикселей, которая улавливает свет в ближнем ИК-диапазоне! Точнее не совсем так - там 8 матриц по 4 штуки в каждом их двух сенсоров. Один снимает в спектре до 2,5 мкм, а второй уже до 5 мкм.
А размер пикселя там по 18 микрометров! Это вам не сенсоры в iPhone, тут пиксели почти в 10 раз больше! Помните в том же iPhone 13 Pro – 1,9 мкм.
NIRCam является главным глазом Уэбба.
Кроме того NIRCam оснащен так называемыми коронографами - специальными приборами, которые позволяют ученым делать снимки очень маленьких, тусклых объектов, которые вращаются вокруг центрального яркого источника света! А это и есть маленькие планеты вокруг огромных звезд, что и позволит получать изображения экзо и прото-планет!
NIRSpec
Второй детектор – специальный спектрометр, который называется NIRSpec!
Это такое устройство, которое умеет разделять пойманный свет на спектр и понимать с какой интенсивностью было поймано изображение той или иной длины волны.
Этот инструмент нужен для анализа объектов, он позволит нам понимать химический состав атмосферы экзопланет и именно он возможно даст нам косвенное подтверждение о существовании жизни на других планетах!
Но самое крутое в нем другое. Этот спектрометр способен вести наблюдение сразу за ста объектами одновременно!
Как? Все благодаря специальным микрозатворам, которые контролируют открытие и закрытие в каждом конкретном участке сенсора!
Представьте, что вы фотографируете на телефон что-то ночью, но при этом вам в телефон светит очень яркий фонарик. Есть конечно алгоритмы HDR, но у телескопа Джеймса Уэбба все немного иначе, он просто берет и физически перекрывает ту часть сенсора, которая засвечена ярким объектом.
Эти микрозатворы – это такие маленькие дверцы, любую из которых можно открыть или закрыть! Они имеют размер с человеческий волос и управляются с помощью магнитного поля! И этих затворов в телескопе 250 тысяч штук.
Эта технология была разработана с нуля специально для этой миссии и стоила более 150 миллионов долларов!
NIRISS
Третий прибор, работающий в спектре до 5 мкм, является так называемый NIRISS. Это единственный прибор на телескопе, оснащенный апертурной маской. Она позволяет детектору получать изображения ярких объектов, таких как звезды, с большим разрешением, таким, которого нет ни у наземных телескопов, ни у телескопа Хаббл!
Кроме того он оснащен системой наведения, которая позволит очень точно наводить детектор на яркие объекты и изучать протопланетарные диски!
MIRI
Ну и четвертый прибор, наверное, самый потрясающий. Называется он MIRI. Он как раз работает в длинах волн от 5 до 28 микрометров и именно он должен позволить нам заглянуть в самые дальние уголки нашей вселенной.
Но такой диапазон детектирования рождает новую сложность. Любой источник тепла будет портить всю картинку! Поэтому его надо держать очень холодным.
Всего около 7 градусов Кельвина или -266 градусов Цельсия! То есть всего на 7 градусов больше чем самая низкая из возможных температур!
Двухступенчатый криоохладитель Уэбба – это самый эффективный и самый спокойный в мире холодильник.
Он использует гелий, как поглощающий тепло газ. На первом этапе температура MIRI снижается до 18 Кельвинов, а на втором этапе температура детектора опускается до 7 Кельвинов.
При этом финальная стадия охлаждения происходит с помощью звука! Если честно это что-то из разряда научной фантастики.
Так как телескоп должен испытывать минимальные вибрации, то нельзя просто поставить туда компрессор как в обычном холодильнике.
Для этого в специальной камере создается стоячая звуковая волна, которая внутри объема создает области с высоким и низким давлением. Ведь звуковая волна - это фактически изменение давления газа в объема,
А раз волна стоячая, то и эти области с разным давлением остаются в одном и том же месте! Там где давление больше - там теплее, где меньше - там холоднее!
А тепло, за счет радиации и переноса тепла, само хочет уходить от более теплой в более холодную область. Просто поместив между этих областей радиатор, можно начать теплообмен, а значит можно и охлаждать что-то. Просто потрясающая инженерия конечно!
Ну а сам детектор MIRI оснащен камерой с разрешением 1024 на 1024 пикселя, коронографом, как в NIRCam, спектрометром и специальным интегральным полевым блоком.
Он представляет собой комбинацию камеры и спектрографа, используемую для съемки и картирования спектров в поле зрения телескопа.
Передача данных
Ну а для передачи этой горы разных данных с четырех детекторов будет использоваться специальная антенна. Точнее их в телескопе тоже две. Одна – для получения команд и инструкций самому телескопу и вторая – для передачи данных на Землю.
Первая антенна для команд работает в диапазоне от 2 до 4 Гигагерц и имеет маленькую скорость передачи данных - всего 40 килобит в секунду.
Вторая же антенна работает уже в так называемом Ка-диапазоне до 26 Гигагерц и имеет скорость передачи данных в 8 мегабит в секунду. Неплохо при том, что мы получаем данные в 1,5 миллионах километров от Земли!
Она будет способна передавать более 30 гигабит данных каждый день! Так что нам кажется, что без красивых картинок и кучи новых данных о нашей вселенной мы не останемся!
Состояние телескопа на данный момент
А что дальше и что сейчас с телескопом происходит? На самом деле новости, которые от него поступают – одна лучше другой!
Телескоп безошибочно прошел весь цикл развертки из более чем 300 этапов. Просто напоминаю, что отказ чего-угодно на этапе развертки привел бы к полному провалу миссии! Но вот телескоп уже полностью развернут и в настоящий момент охлаждается. Самое страшное и самое сложное уже позади!
Вы сами в реальном времени можете следить за его полетом.
И более того, в первом видео мы сказали, что срок службы телескопа, в силу количества топлива, ограничен всего десятью годами, но последние новости очень вдохновляют.
Благодаря очень удачному выведению на орбиту с помощью ракеты Ariane-5, NASA уже говорит о том, что телескоп сможет прослужить до 20 лет! Но и это еще возможно не конец...
В NASA сейчас идет активное обсуждение возможности создания специального робота-спутника, который смог бы долететь до телескопа Джеймса Уэбба и дозаправить его прямо в космосе, в полутора миллионах километров от Земли!
А сейчас телескоп летит ко второй точке Лагранжа, пролетев уже больше 90% из полутора миллионов километров. В данный момент идет подстройка зеркал и их фокусировка. Это медленный процесс, но только подумайте, что их надо подстроить с точностью в несколько нанометров!
Первые же данные с телескопа ожидаются примерно через 5-6 месяцев, так как его еще долго настраивать, но уж не сомневайтесь, что ожидание того стоит. А очередь на исследования уже растянулась более чем на 3 года.
Кстати, очень рекомендуем сайт NASA об этом телескопе. Там еще больше информации и вообще они очень открыты в плане доступа и объяснений, что и зачем нужно!
Ну а мы будем держать вас в курсе событий и будем очень внимательно следить за тем, что происходит с телескопом. Год обещает быть насыщенным, ведь в этом году должен полететь Starship от SpaceX!
