По мотивам Инженерного подкаста с астрономом, кандидатом физ.-мат. наук Владимиром Сурдиным и доктором физ-мат. наук Сергеем Попруженко собрали полезную информацию о космическом телескопе "Джеймс Уэбб". Публикуем самое интересное!
В чем особенность космических телескопов?
Во-первых, среди других они безусловно выделяются своей стоимостью: ни один наземный телескоп не стоит десятки миллиардов долларов. Такой большой вклад обусловлен уникальной работоспособностью космических телескопов, хотя бы потому что они могут 24 часа в сутки смотреть на небо. А наземный? Намного реже из-за короткой астрономической ночи и погодных условий Земли.
Во-вторых, атмосфера. Если кто-нибудь из вас нырял под воду на глубину 10 метров, то, скорее всего, замечали, что над головой вообще ничего не видно. А мы живем на дне воздушного океана под эквивалентным слоем воздуха. Если его сжать до плотности воды, то над нами будет 10 метров воды.
Удивительно, что с Земли возможно что-то увидеть, но гораздо больше и гораздо лучше наблюдение из космоса, когда атмосфера не мешает. Именно в этом заключается задача космических телескопов: видеть то, что с Земли не видно. Атмосфера поглощает большую часть спектра излучения, до нас доходит лишь видимый диапазон, который ограниченно представляет вселенную. А она совершенно другая. Другие объекты, другие процессы, другие явления в этих диапазонах излучения наблюдаются. Для этого создают космические дорогие, очень дорогие, но очень полезные телескопы. В этом их суть.
Насколько дешевле самые большие наземные телескопы?
На порядок, иногда на два дешевле. Существуют огромные наземные телескопы с диаметром зеркального объектива 10 метров. Даже в комплектации с лучшей адаптивной оптикой они стоят около 50-100 миллионов, что все еще меньше миллиардов. Такой телескоп себе может позволить, например, объединение из нескольких университетов, сложив свои финансы. А сделать дорогой космический телескоп в одиночку не могут даже такие крупные страны как США. Джеймс Уэбб финансово поддерживало семнандцати стран. И только так удалось собрать этот огромный телескоп.
Чем обусловлены большие затраты на космические телескопы?
Во-первых, транспортировкой. 50 миллионов долларов стоит только массивная ракета «Дельта». Во-вторых, новыми технологиями. Когда мы покупаем в аптеке лекарство за 100 рублей, мы даже не задумываемся, что его разработка стоила несколько миллионов долларов. Оно тиражируется и становится дешевле. В случае Джеймса Уэбба все новые технологии создавались для одного изделия. Аналогов ему нет. Всё, что было затрачено, все деньги на разработку новых технологий вошли в его стоимость.
В чем заключается отличие Джеймса Уэбба от других космических телескопов?
Во-первых, такой телескоп раскладной и представляет собой зонтик, но вместо одной растягиваемой поверхности, разворачивается 18 отдельных зеркальных кусочков. Они складываются в единую параболоидную структуру, которую поддерживают её в таком состоянии. Это сделано для того, чтобы была возможность его переместить в космос на ракете.
Во-вторых, Джеймс Уэбб имеет намного более широкий спектр, включающий ближний инфракрасный и средний инфракрасный (ИК) диапазоны. В ближнем ИК диапазоне излучают объекты, нагретые до сотен кельвинов, а в среднем ИК диапазоне – до десятков кельвинов. Такие объекты в виде, к примеру, далеких планет представлены в космосе, но оптические телескопы их не видят сквозь атмосферу Земли. А вот Джеймс Уэбб справляется с этой задачей.
С помощью него можно наблюдать также знакомые нам звезды галактики (оптические объекты), но быстро от нас удаляющиеся. Если галактика удаляется от нас со скоростью 99% от скорости света, ее излучение из оптического превращается в инфракрасное. Обычным оптическим телескопом не обнаружить такие объекты, в то время как инфракрасный видит их. Вселенная расширяется, и чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется. Самые далёкие тела нас интересуют, потому что они далёкие не только в пространстве, но и во времени, так как свет шёл от них далеко. Мы их видим такими, какими они были почти 13 миллиардов лет назад.
На какой интервал времени после точки 0 мы видим с помощью Джеймса Уэбба?
Если считать нулевой точкой большой взрыв, то с его помощью уже наблюдались галактики, которые удалены совершенно точно на 500 миллионов лет. С меньшей надёжностью на 300 миллионов лет, потому что они уже характеризуются не спектром, а некими фотометрическим признакам. Не так давно увидели далекий объект где-то на 250 миллионов лет от большого взрыва (Речь об CEERS-93316 – удаленная галактика, обнаруженная в июле 2022 года. – Прим. ред.). Это невероятно странное открытие, потому что прежняя классическая космология считала, что галактики рождаются очень медленно.
А оказывается, что они родились уже вполне взрослыми, насыщенными звездами всего лишь через 250 миллионов лет. Это очень маленькое время для галактики. Наша звездная система за это время одного оборота вокруг оси даже не совершает. Другими словами, динамическое время галактики составляет сотни миллионов лет. Как за это время могла сложиться система из разреженного газа, уплотниться, сформировать внутри себя звезды – это пока не ясно.
Помогает сформировать более полную картину сравнительно недавнее открытие астрофизиков. Они обнаружили присутствие в космосе тёмного вещества, тёмной материи. Это намного более массивная субстанция, чем обычные протоны-нейтроны, из которых сделаны наши звёзды, и она ускоряет процесс гравитационной неустойчивости. В каком-то смысле, если бы тёмное вещество не обнаружили, то у ученых бы опустились руки. «Такого не может быть». А так как оно ускоряет процесс формирования галактик, стало возможным собрать теорию о формировании галактик воедино.
Как наблюдения Джеймса Уэбба могут уточнить понятие темной материи?
Для астрономов главное научиться измерять расстояние. Невозможно протянуть линейку даже к Луне, тем более нельзя до далёких галактик. В основном большинство астрономов постоянно улучшают методы измерения расстояния. Чем точнее расстояние измерить, тем лучше будет представлена эволюция Вселенной. Скорость движения объекта довольно легко измеряется по красному смещению линий в его спектре, а расстояния до объектов определяется с трудом.
Джеймс Уэбб, например, видит такие индикаторы расстояния, как взрывы сверхмассивных и сверхновых звезд в далёких галактиках. Это помогает уточнять шкалу эволюции Вселенной, скорость ее расширения, что в свою очередь формирует картину её эволюции в целом.
Какие у него есть недостатки?
Несмотря на всю полезность Джеймса Уэбба, мы каждый день ждём каких-то плохих новостей от тех, кто управляет его работой. А все потому, что этот телескоп очень «аварийно-способная» конструкция. В этом его большое отличие от старого и надёжного «Хаббла», проработавшего в космосе более 30 лет. На этапе сборки он был упакован в очень плотный кокон – трубу, в которую установили все оптические элементы. Поэтому удары маленьких космических пылинок ему ничем не грозили. За время эксплуатации он был на грани смерти не раз, несмотря на это он все еще функционирует и скорее всего еще проработает несколько лет.
У Джеймса Уэбба же открытая конструкция из-за невозможности уместить в ракету огромную трубу, которая защитила бы оптику, тонкие элементы этого телескопа от повреждений со стороны космического мусора. К сожалению, удары по его зеркалу уже были. Зеркало – это главная часть объектива. Пока удается нейтрализовать эти неприятности, потому что каждый из восемнадцати кусочков управляется отдельно. По командам с Земли можно подправить форму этого зеркала и вернуть его почти к исходному состоянию. Нельзя исключать прилет большого метеорита, например, размером с наперсток. Летящий со скоростью 30 км в секунду метеорит – это артиллерийский снаряд. Пока прилетали песчинки и не сильно повреждали телескоп, но метеорит с напёрсток просто разнесёт половину телескопа. Надеемся, такого не случится.
Другая особенность Джеймса Уэбба – он находится на таком расстоянии, на которое еще было экспедиций. Хаббл находится в шестистах километров от Земли, и до него ремонтники летали четыре раза для обновления и ремонта аппаратуры. На Луну летали, и то с риском для жизни. До нее 400 тысяч километров, а до Джеймса Уэбба – полтора миллиона. Туда, конечно, никто не полетит, да это и было бы нерационально. Сегодня уже все электронные изделия делаются одноразовыми, в том числе и спутники, дешевле теперь новый построить. Когда технология уже отработана, не понадобятся 10 миллиардов долларов, чтобы построить новый подобный телескоп.
Как технически устроен Джеймс Уэбб?
Телескоп имеет две важные детали. Первая часть – это объектив. Его было невозможно засунуть в ракету из-за собственного диаметра в 6.5 метров. Даже у самых толстых ракет диаметр обтекателя составляет 4 метра, так что туда объектив такой не помещается. Пришлось его собирать из кусочков. Эти кусочки сложены в три панели, которые как крылья птицы складываются, а при попадании в космос расправляются.
Вторая, тоже очень важная часть, это телескоп инфракрасного диапазона, то есть теплового диапазона. Поэтому он сам должен быть холодным, чтобы видеть космическое излучение, а не свое собственное. Главная причина нагрева любого космического аппарата — Солнце. Телескоп необходимо было закрыть многослойной защитой размером с баскетбольное поле, которое тем более не уместилось бы в ракете. Его сложили гармошкой, которая потом в космосе растянулась в полноценное покрытие и приобрело площадь баскетбольной площадки. Оно всегда направлен на Солнце, чтобы тень от этого фартука закрывала сам телескоп.
Другой источник тепла — это наша планета. Например, те инфракрасные телескопы, которые запускали вокруг Земли, жили 2-3 месяца. Рядом с Землей невозможно быть холодным, потому что рядом находится огромное теплое тело планеты. Все телескопы нагревались, жидкий гелий выкипал в них, и всё кончалось. Джеймс Уэбб специально забросили на полтора миллиона километров от Земли, чтобы она не могла его подогревать. А от прямых солнечных лучей его огородили фартуком закрыли. Это две его самых больших части.
Само зеркало работает без охладителя. Будучи закрытым от лишнего тепла, оно остывает до 50 кельвинов. Также есть приборы, которым требуется еще более низкая температура, к примеру, приемники инфракрасного света. Они остужаются до 6 кельвинов уже замкнутым холодильником на основе жидкого гелия. Он не теряет гелия, а гоняет его: сжижает, снова собирает пары. Это даёт шанс на работу в течение лет 20.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение! Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст #все_ответы_в_науке_МИФИ #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
