Телескоп «Джеймс Уэбб» подтвердил обнаружение рекордно далекой галактики «Космическое чудо», заметил трио сверхмассивных черных дыр в галактике из ранней Вселенной, нашел богатого углеродом экзогиганта у пульсара-черной вдовы, увидел у второй межзвездной кометы аномально богатую углекислотой кому. Это новости про одного из ключевых наших астрономических наблюдателей-помощников только за 2025 год, и то их малая часть. Всем бы иметь такую производительность, правда?! Однако если новости ушли вперёд вас, а момент Х, когда телескоп был задуман и отправлен в космос, упущен, то на помощь спешит Ирина Яременко, член политехнического сообщества студентов-физиков PCPS. Она рассказала в статье о миссии, истории создания и конструкции «Джеймса Уэбба».
Миссия «Джеймса Уэбба»: почему этот телескоп так важен?
Свет, который излучался более 13,5 миллиардов световых лет назад, приходит к нам в виде инфракрасного излучения, чтобы его обнаружить, и был создан «Джеймс Уэбб» — крупнейший инфракрасный телескоп в истории.
Он может смотреть внутрь пылевых облаков и сквозь них. То есть телескоп в силах увидеть зарождающиеся звезды. Эффект связан с тем, что инфракрасное излучение проходит сквозь пыль. «Джеймс Уэбб» также способен получить изображение дальних областей Вселенной. С помощью этого телескопа можно найти жизнь на других планетах, ведь молекулы проявляют себя в области инфракрасного излучения.
35 лет от задумки до первого снимка
О создании телескопа «Джеймс Уэбб» начали задумываться еще до того, как в космос был отправлен его старший соратник «Хаббл». Начнем по порядку. В 1981 году NASA создало Институт исследования космоса с помощью космического телескопа. Сотрудники Института и занимались в дальнейшем организацией исследований с помощью «Хаббла». Первым директором института стал астрофизик Риккардо Джаккони. В 1986 году он поделился своими опасениями по поводу того, что есть вероятность создать паузу в астрономии на несколько лет. Это связано с тем, что от задумки до реализации «Хаббла» прошло на тот момент уже больше 15 лет. А именно таким и проектировался ресурс работы телескопа. Чтобы не допустить такую ошибку, нужно немедленно начинать разработку новой орбитальной обсерватории (можно позавидовать такому планированию наперёд!). Многим эта идея казалась безумием, но Риккардо Джаккони не прогадал.
В период с 1987 по 1990 год была проведена активная разработка концепции «космического телескопа следующего поколения» (рабочее название «Джеймса Уэбба» тогда еще было NGST — Next Generation Space Telescope). Озвучиваются первая оценка стоимости — $2 миллиарда, предполагаемые даты начала строительства и запуска — 1998 год и 2009 год соответственно.
В апреле 1990 года вывели на орбиту «Хаббл». К сожалению, полностью сфокусироваться на разработке NGST не получилось, так как были выявлены неполадки в работе недавно запущенного в космос телескопа. Эту проблему решили — появилась новая. Теперь мешала экономическая ситуация в стране: подорожание нефти, рост безработицы. К NGST вернулись лишь к началу 1996 года, но теперь речь всерьёз зашла о бюджетах.
С 1996 по 2002 год шло планирование функционала и внешнего облика телескопа. В рамках программы Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD), которую NASA провело на ранней фазе проектирования «Джеймса Уэбба», к 1999 году разработали архитектуру зеркал телескопа: конструкцию и форму. В 2000 году AMSD приняла решение, что зеркала будут выполнены из бериллия: металлу не так страшны микрометеориты, у него лучше коэффициенты теплового расширения, теплопроводности, чем у стекла. Немаловажным фактором оказался вес: бериллий легче стекла.
К 2000 году проект NGST проводит оценку стоимости и следования графику. Выяснилось, что предлагаемая конструкция вышла за бюджет на несколько сотен миллионов долларов и к запуску даже в 2008 году готова не будет, он сдвигается на июнь 2010 года.
В сентябре 2003 года проект прошёл процедуру Initial Confirmation Review. Это специальный вид тестирования, направленный на проверку работы ПО при различных аппаратных и программных конфигурациях системы. 10 сентября 2003 года NASA утвердило архитектуру зеркал «Джеймса Уэбба». На телескоп решили поставить 6,5-метровое основное зеркало из бериллия.
В рамках контракта Northrop Grumman обязуется изготовить основные части космической обсерватории: платформу спутника (Spacecraft Bus) и элемент, соединяющий её с оптическим инструментом Optical Telescope Element (OTE), солнцезащитный экран и механизмы его разворачивания Mid Boom Assembly (о них мы поговорим чуть позже). К концу нулевых основные технологии телескопа прошли необходимые проверки и получили одобрение для использования в аппарате. Работы по реализации шли полным ходом. Но в новых отчётах дата запуска отдалялась по мере приближения к ней. Каждый год дедлайн уходил на год вперёд. В апреле 2010 NASA пообещало запустить телескоп в июне 2014 года с бюджетом проекта $5,1 млрд. Но к тому моменту не было готово даже главное зеркало.
На NGST шли последние средства. NASA сокращало финансирование других проектов, лишь бы удержать на плаву разработку телескопа следующего поколения. Об этом в журнале «Science» вышла статья с достаточно саркастическим заголовком. В августе 2011 года бюджет проекта оценили в $8 млрд, запуск телескопа перенесли на октябрь 2018 года.
До этого, в июле, зашла речь об отмене «Уэбба». Палата представителей конгресса США проголосовала за отказ от телескопа. Как и с «Хабблом», петиции и эмоциональные высказывания астрономов в СМИ имели успех: в ноябре конгресс США пошёл на компромисс и одобрил сумму в $8 млрд.
Следующий период — строительство телескопа. Дедлайны продолжают уходить вперёд, но уже без былого драматизма и переживаний о судьбе проекта. Каждый этап работ строго проверяется.
В 2011 года заготовку вторичного зеркала из бериллия покрывают слоем золота толщиной 120 нм.
В 2012 году завершают создание центральной части поддерживающей конструкции для зеркал.
В 2013 году закончена половина инструментов.
В 2014 году готовили треногу, на которой впоследствии установили вторичное зеркало. Завершили работы с модулем научных приборов Integrated Science Instrument Module (ISIM).
К 2016 году смонтированы все 18 сегментов основного зеркала на центральный оптический элемент Optical Telescope Element (OTE).
Испытания в вакуумной камере при симуляции криогенных условий космоса проводили в 2017 году.
Соединение Центрального оптического элемента со второй половинкой телескопа было в 2019 году. Защитный экран и платформа спутника проходят акустические, вибрационные и термовакуумные испытания, которые симулируют сложные условия запуска и агрессивную среду космоса.
В 2020 году защитный экран в последний раз сложен в конфигурацию для запуска. Телескоп проходит последние испытания, чтобы доказать способность выдержать тряску ракеты-носителя. В 2021 году «Джеймс Уэбб» уходит на хранение, а Институт начинает процесс отбора исследовательских программ.
25 декабря 2021 года телескоп «Джеймс Уэбб» навсегда покинул Землю с космодрома Куру. Ракета «Ариан-5» отправила аппарат по его траектории в точку Лагранжа L2, куда он прибыл 24 января 2022 года.
Точка Лагранжа 2: почему «Джеймс Уэбб» расположен именно там?
Нашу планету окружает атмосфера, состоящая в том числе из воды, которая в свою очередь просто поглощает инфракрасное излучение, то есть его невозможно уловить с Земли. Плюс инфракрасный телескоп очень чувствителен к мельчайшим источникам тепла. А Земля постоянно его излучает. Логичный шаг для решения проблемы — запустить телескоп в открытый космос. Так и была выбрана точка Лагранжа 2, она расположена в 1 500 000 км от нашей планеты. Телескоп не находится ровно в точке L2. Вместо этого он описывает небольшую гало-орбиту* вокруг неё с периодом обращения около 6 месяцев.
*Гало-орбита — периодическая трёхмерная орбита возле точек Лагранжа L1, L2 или L3 в задаче трёх тел орбитальной механики.
В точке Лагранжа 2 почти нет радиопомех со стороны солнца. Поэтому поддерживать связь с телескопом получается хорошо. «Джеймс Уэбб» два раза в сутки получает команды и передаёт данные на Землю. Впрочем, он может работать автономно. Как правило, Институт исследований космоса с помощью космического телескопа присылает орбитальной обсерватории пакет задач на неделю вперёд, а затем корректирует его при необходимости.
А еще «Джеймс Уэбб» всегда сопровождает Землю: они вместе делают 1 оборот вокруг Солнца за астрономический год.
Устройство телескопа: основные компоненты и ключевые элементы
- Центральный оптический элемент (Optical Telescope Element OTE). Он состоит из зеркал, которые собирают свет, идущий из космоса, и передают его научным приборам, расположенным в ISIM, и задней панели, что служит поддержкой для зеркал.
- Интегрированный научный инструментальный модуль (Integrated Science Instrument Module или ISIM). Он объединяет основные инструменты «Уэбба» в одну полезную нагрузку.
- Детектор среднего инфракрасного диапазона (Mid-Infrared Instrument или MIRI). Он обеспечивает возможность визуализации и спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне длин волн от 5 до 28 микрон.
- Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph или NIRSpec). Прибор способен обнаружить ближние инфракрасные длины волн, наблюдать более 100 объектов одновременно. Кстати, это первый спектрограф в космосе с такими удивительными способностями!
- Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera или NIRCam). Это основной тепловизор телескопа. С помощью камеры ученые получают изображения высокого разрешения, а еще проводят спектроскопию для разных видов исследований.
- Датчик точного наведения / Формирователь изображений в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (Fine Guidance Sensor/ Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph или FGS-NIRISS). FGS — навигационное устройство. Датчик «фиксируется» на ярких звездах в космосе, удерживая телескоп на цели. Так «Джеймс Уэбб» может создать четкие высококачественные изображения.
- Солнцезащитный экран (Sunshield). Он разделяет обсерваторию на теплую сторону, обращенную к солнцу (космический корабль) и холодную сторону, обращенную против солнца (OTE и ISIM). Солнцезащитный экран удерживает тепло Солнца, Земли и электроники космического корабля от OTE и ISIM, так что эти части обсерватории могут оставаться очень холодными.
- Космический корабль (Spacecraft bus). Эта часть обсерватории вмещает в себя основные подсистемы: электропитание, управление ориентацией, связь, управление и обработка данных, движение и терморегулирование.
- Импульсный клапан (Momentum flap) равномерно распределяет солнечное давление на солнцезащитный экран.
- Направленная на Землю антенна (Earth-pointing antenna) отправляет научные данные Институту исследования космоса с помощью космического телескопа и получает команды оттуда.
- Солнечная батарея (Solar array) всегда обращена к солнцу, преобразуя солнечный свет в электричество для питания обсерватории.
- Звездные датчики (Star trackers). Чувствительный элемент системы ориентации космического аппарата.
Да, история этого телескопа учит нас долгосрочному планированию и в очередной раз подтверждает, что всё самое интересное часто находится за границами нашего поля зрения. Будем с нетерпением ждать, какие ещё открытия сделает «Джеймс Уэбб»!
📌 Источник: журнал политехнического сообщества студентов-физиков (PCPS) Post Script.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы быть ближе к звёздам!
Что ещё почитать?