Есть фотография, которую NASA опубликовало 11 июля 2022 года. На ней - тысячи галактик. Некоторые из них существовали, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. То есть мы видим свет, который летел к нам тринадцать с лишним миллиардов лет. Он вышел в путь, когда Земли ещё не было. Когда Солнца не было. Когда вообще мало что было.
Чтобы понять, зачем вообще понадобился новый телескоп, нужно вспомнить, что произошло с предыдущим. «Хаббл» запустили в 1990 году. Это была революция - первый крупный телескоп на орбите, вне атмосферы, которая размывает изображения как стекло в дождь. Хаббл показал нам туманности во всей красе, помог уточнить возраст Вселенной, подтвердил, что в центре большинства галактик сидят сверхмассивные чёрные дыры. Он до сих пор работает и до сих пор делает науку.
Но у Хаббла есть предел. Он видит в основном в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне. А самые далёкие объекты Вселенной - первые галактики, первые звёзды - нельзя увидеть в оптике. Вот почему.
Вселенная расширяется. Это (подтвердив гипотезу советского физика Александра Фридмана о Большом Взрыве) установил Хаббл - тот самый человек, в честь которого назван телескоп, - ещё в 1929 году. Галактики разлетаются друг от друга, и чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Свет от удаляющегося источника растягивается - его длина волны увеличивается. Это называется красным смещением. Свет, который когда-то был ультрафиолетовым или видимым, за миллиарды лет путешествия растягивается до инфракрасного диапазона.
Инфракрасный свет - это тепловое излучение. Его испускают все тёплые тела, в том числе сам телескоп. Хаббл не приспособлен к наблюдениям в инфракрасном диапазоне - он сам себе мешал бы, как если бы вы пытались разглядеть слабый огонёк на фоне раскалённой печи. Значит, нужен другой телескоп. Холодный. Огромный. Инфракрасный.
Идею начали обсуждать ещё в 1989 году - почти одновременно с запуском Хаббла. Логика была такая: мы ещё не запустили один, а уже думаем о следующем. Потому что понимали - у Хаббла будет предел, и этот предел наступит быстро по астрономическим меркам.
Официально проект стартовал в 1996 году. Тогда его называли «Следующий космический телескоп поколения» - Next Generation Space Telescope. Имя «Джеймс Уэбб» телескоп получил в 2002 году, в честь администратора NASA, который руководил агентством во время программы «Аполлон».
Бюджет 1996 года: 500 миллионов долларов. Запуск планировался на 2007 год. Что произошло дальше - один из самых поучительных примеров того, как сложные инженерные проекты превращаются в бесконечную историю. Бюджет рос каждые несколько лет. К 2011 году он перевалил за 8 миллиардов, конгресс США чуть не закрыл проект - проголосовали за отмену финансирования, потом передумали. К моменту запуска итоговая сумма составила около 10 миллиардов долларов. Плюс ещё около миллиарда на эксплуатацию в первые годы.
Почему так дорого и так долго? Телескоп решали задачи, которые никто никогда не решал. Зеркало диаметром 6,5 метра - для сравнения, у Хаббла 2,4 метра. Но дело не только в размере. Зеркало нужно было сделать из бериллия - лёгкого, жёсткого, хорошо работающего при экстремальном холоде. Покрыть тонким слоем золота - золото отлично отражает инфракрасный свет. И разбить на 18 шестиугольных сегментов, потому что целое зеркало такого размера просто не влезет ни в какую ракету.
Эти 18 сегментов должны работать как одно зеркало с точностью до нанометров. Нанометр - это миллионная доля миллиметра. Каждый сегмент управляется моторами, которые могут двигать его на расстояние в 10 нанометров за шаг. Это как если бы вы пытались поставить монету с точностью до толщины одного атома.
Кроме зеркала, телескоп нужно было охладить до минус 233 градусов Цельсия. Иначе собственное тепловое излучение зеркала и приборов забьёт слабый сигнал от далёких галактик. Для охлаждения сделали солнцезащитный экран размером с теннисный корт - пять слоёв специальной плёнки, тоньше человеческого волоса. Экран должен был раскрыться в космосе сам, потому что его нельзя было раскрыть на Земле перед запуском - слишком большой. Это и есть главный источник страха всех, кто работал над проектом.
Телескоп нельзя починить. Хаббл находится на орбите в 560 километрах от Земли - туда летали шаттлы, астронавты меняли приборы, однажды исправили кривое зеркало прямо на орбите. Уэбб работает в точке Лагранжа L2 - в полутора миллионах километров от Земли. Ни один пилотируемый корабль туда не долетит. Если что-то пойдёт не так – всё, кранты.
При развёртывании телескоп должен был выполнить 344 отдельных операции, каждая из которых была критической. Отказ любой из них мог означать конец миссии. Инженеры прозвали их «единственными точками отказа». Триста сорок четыре точки, в каждой из которых вся работа тридцати лет и десять миллиардов долларов могут превратиться в красивый кусок металла, бесцельно болтающийся в пространстве.
25 декабря 2021 года телескоп запустили с космодрома Куру во Французской Гвиане на ракете Ariane 5. Рождество. Символично, хотя наука, конечно, не верит в символы.
Следующие две недели команда в Центре управления полётами почти не спала. Раскрылся солнцезащитный экран - все 344 операции прошли успешно. Это было настолько невероятно, что некоторые инженеры плакали прямо в центре управления. Потом раскрылось зеркало. Потом телескоп добрался до точки L2.
Потом началась юстировка - приведение всех 18 сегментов зеркала в точное совмещение. Это заняло несколько месяцев. В июле 2022 года телескоп начал новую науку.
Немного физики, без которой дальнейшее будет менее понятным. Лагранжевы точки - это места в системе двух тел (Земля и Солнце, например), где гравитационные силы уравновешиваются так, что небольшой объект может там стоять относительно неподвижно. Их пять. Точка L2 находится на линии Солнце-Земля, за Землёй, на расстоянии примерно 1,5 миллиона километров.
Там телескоп постоянно находится в тени Земли - это помогает поддерживать нужную температуру. Солнце, Земля и Луна всегда с одной стороны, телескоп смотрит в противоположную - в глубокий космос. Идеальная позиция для наблюдений.
Топливо, которое телескоп несёт с собой, рассчитано минимум на 10 лет работы. Ракета вывела его так точно, что топлива хватит на 20 лет - это уже официальная оценка NASA. Хорошее попадание в мишень сберегло много топлива, которое нужно на коррекцию орбиты.
Научная программа началась в июне 2022 года. За неполные три года телескоп успел сделать столько, что астрономы буквально не успевают обрабатывать данные. Журналы переполнены статьями. Некоторые открытия уже потребовали пересмотра устоявшихся моделей.
Самые ранние галактики оказались слишком большими. Это, пожалуй, самый громкий результат первых лет работы. Стандартная космологическая модель - ΛCDM, лямбда-холодной тёмной материи - предсказывала, что в первый миллиард лет после Большого взрыва галактики должны быть маленькими, тусклыми и хаотичными. Маленькие галактики постепенно сливаются в большие - это называется иерархическим формированием структур.
Уэбб посмотрел на эпоху первых 500-800 миллионов лет после Большого взрыва - и увидел галактики, которых там быть не должно. Зрелые, массивные, с уже сформированными структурами. Одна из них, получившая прозвище «Галактика-монстр» (официальное обозначение JADES-GS-z14-0), существовала, когда Вселенной было около 290 миллионов лет - и уже содержала в себе в сотни миллионов раз больше массы, чем Солнце.
Это поставило теоретиков перед неудобным вопросом: как звёзды успели так быстро сформироваться и так быстро объединиться? Несколько групп учёных уже предложили модификации стандартной модели. Пока ни одна не принята окончательно - наука так работает, это нормально.
Атмосферы экзопланет. Уэбб умеет анализировать атмосферы планет у других звёзд. Когда планета проходит перед своей звездой, часть звёздного света проходит сквозь атмосферу планеты. Разные молекулы поглощают разные длины волн - получается что-то вроде отпечатка пальца. Спектрограф телескопа может этот отпечаток прочитать.
В 2023 году Уэбб обнаружил в атмосфере экзопланеты K2-18b молекулу диметилсульфид. На Земле этот газ производят только живые организмы - в основном морские водоросли. Это не значит, что на K2-18b есть жизнь. Авторы статьи сами написали, что возможны и небиологические источники этого газа в условиях, которые мы ещё плохо понимаем. Но сам факт - мы нашли в атмосфере чужой планеты молекулу, которую на Земле делают живые существа - это уже история.
K2-18b относится к классу «мини-Нептунов» - планет, которых нет в нашей Солнечной системе, но которых во Вселенной, судя по всему, очень много. Она примерно в 8,6 раза массивнее Земли, находится в зоне обитаемости своей звезды - то есть на расстоянии, где теоретически может существовать жидкая вода.
Марс, Юпитер и ближние соседи. Уэбб смотрит не только в далёкий космос. Он наблюдал Марс, Юпитер, Уран, Нептун и несколько их лун. Снимок Юпитера в инфракрасном диапазоне показал полярные сияния и детали атмосферы с невиданной чёткостью. На Уране телескоп зафиксировал его кольца - они очень слабые, и раньше их было так не рассмотреть.
Это не просто красивые картинки. Инфракрасные наблюдения дают информацию о химическом составе атмосфер, о температурных профилях, о динамике облачного покрова. Это помогает строить более точные модели планетных атмосфер - в том числе для понимания того, как работают атмосферы экзопланет.
Первые звёзды. Одна из главных задач Уэбба - найти следы звёзд первого поколения, Population III. Это были звёзды, сформировавшиеся из первичного газа Вселенной - почти чистого водорода и гелия, без тяжёлых элементов. Они должны были быть огромными, жить недолго и умирать в сверхновых, разбрасывая по галактикам первые тяжёлые элементы - углерод, кислород, железо, - из которых потом сделались планеты и мы сами.
Пока прямых наблюдений звёзд Population III нет. Но в 2023 году группа учёных сообщила о возможном косвенном свидетельстве - в спектре очень далёкой галактики нашли аномальное соотношение гелия и водорода, которое может указывать на вклад первичных звёзд. Работа ещё проверяется. Наука - медленный процесс.
Туманности и рождение звёзд. Первое публичное изображение Уэбба - туманность Киля. Регион звездообразования на расстоянии около 7600 световых лет. Хаббл снимал её много раз, она давно известна. Но снимок Уэбба показал то, чего раньше не было видно: сквозь пыль, которая раньше скрывала внутренности туманности, теперь просматриваются молодые звёзды. Газовые столбы, протозвёзды, выбросы вещества - всё это телескоп видит, потому что инфракрасный свет проходит сквозь пыль там, где оптический - нет.
Это открыло новую эпоху в изучении звездообразования. Мы теперь можем видеть не только окрестности только что родившихся звёзд, но и сам процесс - как газ и пыль собираются в протозвезду.
Научные результаты Уэбба уже сейчас переписывают несколько глав учебников. Не потому, что старые данные были неверны - а потому что у нас теперь другой масштаб видения.
Несколько направлений, где изменения наиболее заметны. Космология. Стандартная модель формирования галактик требует уточнения. Это не катастрофа для науки - это нормальный рабочий процесс. Модели уточняются по мере поступления новых данных. Но масштаб уточнений тут больше, чем ожидалось.
Поиск жизни. Уэбб не найдёт инопланетян. Он может найти молекулы, которые на Земле производит жизнь, в атмосферах других планет. Это разные вещи. Но само наличие такого инструмента означает, что вопрос «есть ли где-то ещё жизнь» из философского становится экспериментальным. Мы можем проверять.
Понимание рождения звёзд и планет. Инфракрасные наблюдения сквозь пыль дают картину, которой раньше не было. Это влияет на модели планетообразования, на понимание того, как возникли условия для жизни на Земле.
Методология науки. Уэбб - пример того, что бывает, когда строишь инструмент, который превосходит всё, что было до него, сразу по нескольким параметрам. Ты не просто находишь больше того же самого. Ты видишь другое. Это случалось с каждым поколением телескопов - и каждый раз результат удивлял сильнее, чем ожидали.
Почему это важно за пределами науки. Десять миллиардов долларов - много. Можно посчитать, сколько больниц или дорог можно было построить. Этот разговор будет всегда, и он не лишён смысла.
Но есть и другое измерение. Фотография показывает свет, который существовал до того, как появилась Земля. Каждая точка на ней - галактика, в которой миллиарды звёзд. Многие из этих галактик уже не существуют - за то время, пока их свет летел к нам, они изменились до неузнаваемости или погибли. Это повод для смены масштаба.
Один из главных рисков нашего времени - сжатие горизонта. Мы смотрим в телефон, в ленту, в новости сегодняшнего дня. Горизонт сужается до нескольких метров и нескольких часов. Это понятно - мозг так устроен, он реагирует на близкое и срочное.
Телескоп Уэбба делает ровно противоположное. Он показывает свет, который летел 13 миллиардов лет. Он напоминает, что у Вселенной есть масштаб, перед которым наши тревоги приобретают другой размер. Это не значит, что тревоги неважны. Это значит, что важны и звёзды.
Кто-то тридцать лет делал инструмент, чтобы увидеть начало времён. Довёл проект до конца, несмотря на задержки, перерасход бюджета и 344 точки отказа. И теперь мы смотрим туда, куда никогда не смотрели. Это, наверное, и есть то, что люди умеют делать лучше всего - когда не отвлекаются.
СЛЕДУЙТЕ ЗА БЕЛЫМ КРОЛИКОМ!