Nasa назвало новую дату запуска телескопа «джеймс уэбб»

Миссия: стоя на плечах гигантов

Хаббл, который размером с автобус, видит в первую очередь видимую область спектра и немного ультрафиолетового и инфракрасного. Его программа началась в 1990 году и благодаря дальнейшему обслуживаю продлится достаточно долго, чтобы передать эстафету Уэббу. Названный в честь Эдвина Хаббла, астронома, открывшего множество задач для изучения этим телескопом, он стал одним из самых продуктивных инструментов в научной истории, подарив нам феномены вроде рождения звезды и ее смерти, эволюции галактики и черных дыр (от теории до наблюдаемых фактов).

Вместе с Хабблом в большую четверку входит Комптоновская гамма-лучевая обсерватория (CGRO), Рентгеновская обсерватория «Чандра» и космический телескоп Спитцер.

CGRO, запущенная в 1991 и больше не обслуживаемая, обнаружила высокоэнергетические жестокие явления от 30 килоэлектрон-вольт (кэВ) до 30 гигаэлектрон-вольт (ГэВ), включая энергетические извержения ядер активных галактик.

«Чандра», запущенная в 1999 году и до сих пор остающаяся на плаву, наблюдает за черными дырами, квазарами и высокотемпературными газами в рентгеновском спектре, а также предоставляет важные данные о рождении, росте и конечной судьбе Вселенной.

Спитцер, который оккупировал орбиту прохождения Земли, изучает небо в тепловом инфракрасном (3-180 микрон) диапазоне, наблюдая за рождением звезд, галактическими центрами и холодными тусклыми звездами. Также он ищет те или иные молекулы в космосе.

Уэбб будет вглядываться в ближний и средний инфракрасный спектр, чему поспособствует его положение в точке L2 за луной и солнечные щиты, которые блокируют навязчивый свет Солнца, Земли и Луны, благоприятно влияя на охлаждение аппарата. Ученые надеются увидеть самые первые звезды Вселенной, образование и столкновение юных галактик, рождение звезд в протопланетарных системах — в которых, возможно, содержатся химические компоненты жизни.

Эти первые звезды могут хранить ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически, где и как они формируются, напрямую связано с первыми моделями темной материи — невидимой таинственной субстации, которую обнаруживают по гравитационному воздействию — а их циклы жизни и смерти вызывают обратную связь, повлиявшую на формирование первых галактик. И поскольку сверхмассивные звезды с коротким периодом жизни примерно в 30-300 раз тяжелее нашего Солнца по массе (и в миллионы раз ярче), эти первые звезды могли бы взорваться в виде сверхновых, а после коллапсировать и образовать черные дыры, которые постепенно заняли центры большинства массивных галактик.

Видеть все это — безусловно, подвиг для инструментов, которые мы делали до сих пор. Благодаря новым инструментам, а также космическим аппаратам, мы сможем увидеть еще больше.

Как работает «Джеймс Уэбб»?

Миссия «Уэбба» целиком опирается на работу Больших обсерваторий NASA, четырех замечательных телескопов, чьи инструменты покрывают весь электромагнитный спектр. Четыре накладывающихся друг на друга миссии позволили ученым наблюдать одни и те же астрономические объекты в видимом, гамма-лучевом, рентгеновском и инфракрасном спектрах.

Так выглядит телескоп Джеймса Уэбба, который будет запущен в 2021 году

«Хаббл», который размером с автобус, видит в первую очередь видимую область спектра и немного ультрафиолетового и инфракрасного. Его программа началась в 1990 году и благодаря дальнейшему обслуживаю продлится достаточно долго, чтобы передать эстафету «Уэббу». Названный в честь Эдвина Хаббла, астронома, открывшего множество задач для изучения этим телескопом, он стал одним из самых продуктивных инструментов в научной истории, подарив нам феномены вроде рождения звезды и ее смерти, эволюции галактики и черных дыр (от теории до наблюдаемых фактов).

CGRO, запущенная в 1991 и больше не обслуживаемая, обнаружила высокоэнергетические жестокие явления от 30 килоэлектрон-вольт (кэВ) до 30 гигаэлектрон-вольт (ГэВ), включая энергетические извержения ядер активных галактик.

«Чандра», запущенная в 1999 году и до сих пор остающаяся на плаву, наблюдает за черными дырами, квазарами и высокотемпературными газами в рентгеновском спектре, а также предоставляет важные данные о рождении, росте и конечной судьбе Вселенной.

«Спитцер», который оккупировал орбиту прохождения Земли, изучает небо в тепловом инфракрасном (3-180 микрон) диапазоне, наблюдая за рождением звезд, галактическими центрами и холодными тусклыми звездами. Также он ищет те или иные молекулы в космосе.

«Уэбб» будет вглядываться в ближний и средний инфракрасный спектр, чему поспособствует его положение в точке L2 за луной и солнечные щиты, которые блокируют навязчивый свет Солнца, Земли и Луны, благоприятно влияя на охлаждение аппарата. Ученые надеются увидеть самые первые звезды Вселенной, образование и столкновение юных галактик, рождение звезд в протопланетарных системах — в которых, возможно, содержатся химические компоненты жизни.

Эти первые звезды могут хранить ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически, где и как они формируются, напрямую связано с первыми моделями темной материи — невидимой таинственной субстанции, которую обнаруживают по гравитационному воздействию — а их циклы жизни и смерти вызывают обратную связь, повлиявшую на формирование первых галактик. И поскольку сверхмассивные звезды с коротким периодом жизни примерно в 30-300 раз тяжелее нашего Солнца по массе (и в миллионы раз ярче), эти первые звезды могли бы взорваться в виде сверхновых, а после коллапсировать и образовать черные дыры, которые постепенно заняли центры большинства массивных галактик.

LUVOIR

Телескоп «Джеймс Уэбб» будет очень мощным инструментом. Но работать аппарат будет в инфракрасном диапазоне волн, для того чтобы следить за более холодными объектами и явлениями во Вселенной, вроде красного смещения самых первых галактик или новообразующихся планетарных систем. Телескоп Origins Space Telescope призван стать более продвинутой версией телескопа «Джеймс Уэбб».

Телескоп LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor) в свою очередь станет настоящим наследником «Хаббла». Этот огромный аппарат сможет вести наблюдения в видимом, ультрафиолетовом и ближней части инфракрасного спектра.

Художественный концепт телескопа LUVOIR

В разработке находятся два концептуальных дизайна для данного телескопа. Согласно первому, аппарат планируется оснастить складным 8-метровым зеркалом и вывести на орбиту с помощью ракета-носителя тяжелого класса Falcon Heavy. Согласно другому концепту, телескоп планируется оснастить зеркалом с диаметром 16 метров (для сравнения диаметр зеркала «Хаббла» составляет всего 2,6 метра), что на 50% больше, чем у самого большого наземного телескопа такого же класса. Во втором случае планируется запуск с помощью ракеты-носителя Space Launch System. Какую версию в итоге выберут — будет зависть от ракет-носителей, которые будут использоваться в 2030 годы.

Аппарат получит широкий угол обзора и буде оснащен широким набором различных инструментов и фильтров, которые астрономы смогут использовать для наблюдения за чем угодно. Например, телескоп будет оснащен коронографом, о котором говорилось выше, следовательно, аппарат сможет вести наблюдения за планетами, «приглушая» свет их родных звезд. Наличие же спектрографа позволит ему проводить анализ химического состава атмосфер экзопланет.

LUVOIR призван стать отличным универсальным инструментом, предназначенным для великих открытий на полях астрофизики и планетологии. Среди его потенциальных возможностей: прямое наблюдение за экзопланетами и поиск биосигнатур. Телескоп сможет искать планеты самых разных классов, начиная от горячих юпитеров и заканчивая «суперземлями». Кроме того, LUVOIR позволит вывести наблюдение за объектами в Солнечной системе на совершенно иной уровень.

Энцелад, каким его видел «Хаббл» (слева) и каким его увидит LUVOIR (справа)

При желании мы сможем заглянуть в любой уголок Вселенной, расширив горизонты ее видимой величины, а также рассмотреть гораздо более мелкие объекты, которые не был способен увидеть «Хаббл». С помощью LUVOIR будут проводиться исследования самых первых галактик и звезд, а также расчеты распределения темной материи по Вселенной.

Ученые по-прежнему не могут до конца понять, что происходит, когда звезда набирает достаточно массы для того, чтобы зажечься. LUVOIR сможет обратить свой взор в сторону звездообразующих регионов и рассмотреть через газ и пыль самые ранние моменты рождения звезд и планет, которые их будут окружать.

Телескоп HabEx

Первым телескопом, на который стоит обратить свое внимание, является HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission, «Миссия по поиску обитаемых экзопланет»). Эта космическая обсерватория в теории сможет вести прямую съемку экзопланет, обращающихся вокруг других звезд

Его целями должны стать самые разнообразные планеты, начиняя от горячих юпитеров и заканчивая «суперземелями». Основной же его задачей будет поиск землеподобных планет и исследование их атмосфер.

Исследования миров будут проводиться через анализ световых волн, особенность изменения которых будет говорить о наличии у планеты той или иной биосферы

Для возможности наблюдения за планетами HabEx потребуется каким-то образом блокировать свет звезд, чтобы можно было увидеть менее яркие планеты, расположенные вокруг них. Сделать это можно двумя способами.

Для первого понадобится коронограф, представляющий собой по большому счету искусственный блокирующий экран, установленный внутри телескопа и закрывающий от него лучи света звезды. В таком случае оставшийся свет может отражаться от других объектов, расположенных возле звезды и может быть пойман специальным детектором. Наличие в телескопе зеркала с изменяемой поверхностью отражения и последующая тонкая настройка позволят разглядеть находящиеся у звезды планеты.

Пример использования коронографа, установленного на телескопе VLT Европейской южной обсерватории можно посмотреть ниже. Центральная звезда двойной звездной системы HR 4796A в созвездии Центавра скрыта, что позволяет разглядеть вокруг нее протопланетный диск.

В космический телескоп можно увидеть и не такое.

А это, пожалуй, одно из самых крутых изображений за всю историю астрономии. С помощью одного из телескопов обсерватории Кека (Гавайи) удалось заснять четыре планеты размером с Юпитер, вращающиеся вокруг молодой звезды HR 8799 в созвездии Пегаса. Изображение создано на базе снимков, полученных в разное время наблюдений. Но выглядит от этого не менее впечатляюще.

Динамические изображения тоже доступны.

Второй метод будет заключаться в использовании отдельного космического аппарата Starshade в форме подсолнечника, который будет отлетать на десятки тысяч километров от телескопа, а затем раскрываться и блокировать свет интересующей звезды, позволяя вести наблюдение за имеющимися вокруг нее планетами. Особенность конструкции Starshade позволяет создавать очень темную тень, обеспечивая наиболее лучший обзор на интересующий объект.

Художественное представление прототипа Starshade – гигантской структуры, разработанной для блокирования яркого света звезд и последующего наблюдения с помощью телескопов за находящимися возле них планетами

Так это работает.

Еще одна прелесть Starshade заключается в том, что аппарат в теории можно будет использовать практически с любой космической обсерваторией.

В настоящий момент самым эффективным и доступным методом обнаружения новых экзопаленет является транзитный метод поиска или метод расчета лучевых скоростей. Однако благодаря таким телескопам, как HabEx за планетами станет возможно вести наблюдение напрямую.

В дополнении к своей основной задаче по поиску и изучению экзопланет HabEx будет заниматься и вопросами астрофизики, например, наблюдая за светом ранней Вселенной, или изучая химический состав больших звезд до и после их коллапса в сверхновые.

Мечты и реальность

Представленные выше аппараты подогрели ваш энтузиазм в отношении будущего астрономии? Не спешите радоваться. Печальная новость заключается в том, что представленные в сегодняшней статье космические телескопы практически не имеют никаких шансов на то, чтобы однажды стать нашими глазами, следящими за дальними рубежами космического горизонта.

В начале этого месяца аэрокосмическое агентство NASA объявило о том, что собирается ограничить аппетиты планировщиков проектов по созданию новых космических телескопов и сокращает бюджеты разработкок до 3-5 миллиардов долларов. До этого момента инженеры даже не задумывались о каких-то рекомендациях, планах по бюджету и прочим бюрократическим вещам, они просто проектировали новые аппараты, которые смогут вывести науку на новый уровень.

Бюджет тех же телескопов HabEx, Lynx и OST согласно предварительным подсчетам может легко пересечь планку в 5 миллиардов долларов. А о том же LUVOIR придется вообще забыть – стоимость его создания может легко перевалить за отметку в 20 миллиардов долларов.

Даже несмотря на то, что Конгресс США настаивал на том, чтобы NASA получило больше средств на разработки, само аэрокосмическое агентство решило поумерить как свои аппетиты, так и аппетиты своих подрядчиков. И если учесть, насколько сильно за рамки бюджета вылилось создание передового космического телескопа «Джеймс Уэбб» и то, как у него обстоят дела сейчас, становится совершенно понятно, почему NASA решило пойти на такой шаг.

Изначально проект разработки «Джеймса Уэбба» был оценен в что-то среднее между 1,6 и 3,5 миллиардами долларов. В рамках этого бюджета аппарат планировалось запустить в период с 2007 по 2011 год. На текущий момент запуск запланирован самое раннее — на май 2020 года. При этом бюджет разработки по оценке Конгресса уже составляет 8,8 миллиардов долларов, а через 2 года может увеличиться до 10. Было бы заблуждением считать, что только у нас могут «пилить» бюджетные средства. Но, это полбеды. Основная проблема заключается в том, насколько безответственно основные подрядчики занимаются сборкой аппарата.

В последнем вибрационном испытании инженеры обнаружили, что из телескопа сыплются винты и шайбы. На минуточку речь идет не о сборке комода из IKEA, где в таком случае можно было просто сказать: «и так сойдет». Речь идет о телескопе, за почти 9 миллиардов долларов.

Финансовые аппетиты растут не только у создателей космического телескопа «Джеймс Уэбб». При изначальной оценке в 2 миллиарда долларов, текущая оценочная стоимость разработки телескопа WFIRST уже составляет 3,9 миллиарда долларов.

Простые ученые надеются на то, что все эти аппараты рано или поздно будут выведены на орбиту. Произойдет ли это до середины 2030-х годов, как было изначально запланировано в программах? Нужно настоящее чудо. На это чудо и остается пока уповать исследователям, считающим, что именно эти аппараты будут способны совершить новые важные открытия в астрономии.

James Webb Space Telescope (США)

Джэймс Уэбб в сборе.

«Джеймс Уэбб» обладает составным зеркалом 6,5 метра в диаметре с площадью собирающей поверхности 25 м², скрытым от инфракрасного излучения со стороны Солнца и Земли тепловым экраном. Телескоп будет размещён на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля.

Телескоп является наследником Хаббла и планируется, что он его заменит. Он будет видеть всё в инфракрасном диапазоне и в числе первых задач у него стоит обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также его будут использовать для поиска и слежки за экзопланетами, для поиска биосигнатур в водных мирах Солнечной системы и наблюдением за астероидами и кометами.

Проект представляет собой результат международного сотрудничества 17 стран, во главе которых стоит НАСА, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.

Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5» 18 декабря 2021 года. В этом случае первые научные исследования начнутся в начале 2022 года. Срок работы телескопа составит не менее пяти лет; запаса хладагента хватит примерно на 10 лет работы.

Однако, помимо уже существующего, но не запущенного Джэймса Уэбба в проектах космических агентств находятся обсерватории, которые будут намного превосходить существующие. О них и пойдет речь в данной статье.

Сюньтянь — «Небесный часовой» (Китай)

Эскиз телескопа.

Сюньтянь («Небесный часовой») — китайский автономный орбитальный модуль с оптическим телескопом. Сюньтянь будет снабжён собственными двигателями и планируется, что при необходимости сможет причаливать к Китайской орбитальной станции для обслуживания и замены научных приборов. Сюньтянь называют «китайским Хабблом». Диаметр его зеркала составит около двух метров, и его разрешение близко к разрешению космического телескопа Хаббл. У этого телескопа диаметр меньше, чем у Хаббла, однако китайская обсерватория будет иметь поле зрения в 300 раз большее, чем поле зрения Хаббла, сохраняя при этом аналогичную разрешающую способность. Широкое поле зрения позволит телескопу наблюдать до 40% неба в течение десяти лет в ближнем ультрафиолетовом и видимом свете.

Китайцы, очевидно, решили иметь возможность стыковать телескоп к космической станции не просто так. Телескопу Хаббла потребовалось несколько полетов с американскими шаттлами для ремонта, модернизации, замены различных компонентов и всё равно он подвергаемся поломкам. Возможность починить космический телескоп непосредственно на орбите является весомым «плюсом» для Китайской космической программы.

На момент написания этой статьи китайцы строят четыре исследовательских центра для анализа данных, собранных телескопом. К наиболее заметным задачам относятся изучение свойств темной материи и темной энергии или формирование и эволюция галактик. Обсерватория будет также содействовать обнаружению и мониторингу транснептуновых объектов (ТНО) и околоземных астероидов.

Запуск «Сюньтяня» должен состоятся уже в следующем году.

Nancy Grace Roman Telescope (США)

Телескоп Nancy Roman в представлении художника.

Космический телескоп NASA Nancy Grace Roman (или же WFIRST — Wide Field Infrared Survey Telescope, что означает Широкодиапазонная инфракрасная обсервтаория) назван в честь женщины-астронома «матери Хаббла» Нэнси Грейс Роман. Телескоп на данный момент находится на этапе начала сборки и его запуск планируется на 2025 год. Он в 100 раз превосходит возможности «Хаббла» и должен заняться самыми передовыми вопросами в космологии и исследовании экзопланет. Его коронограф сможет находить планеты-сироты, а также производить прямое наблюдения за другими мирами и изучать их атмосферы.

Телескоп RST также должен стать идеологическим наследником и заменой для сразу трех миссий — Хаббла, инфракрасного телескопа WISE и готовящейся к пуску обсерватории «Джеймс Уэбб». RST должна получить первые прямые фотографии экзопланет, раскрыть сущность темной энергии и понять, как распределена материя по Вселенной.

Origins Space Telescope

Следующим идет Origins Space Telescope или просто OST. Этакий «Джемс Уэбб на стероидах», который должен прийти на замену телескопу «Спитцер». «Джеймс Уэбб» имеет 6,5-метровое зеркало, но с 9,1-метровым зеркалом чувствительность телескопа Origins Space Telescope должна в 30 раз превосходить чувствительность «Джеймса Уэбба». Планируется, что аппарат будет работать в инфракрасном диапазоне волн и вести наблюдение за самыми интересными объектами во Вселенной.

Художественное представление телескопа Origins Space Telescope (OST)

Телескоп будет не только огромным, но и очень холодным. Аэрокосмическому агентству NASA удалось охладить телескоп «Спитцер» до температуры 5 Кельвинов. Это всего на 5 градусов Цельсия выше абсолютного нуля и чуть теплее, чем температура реликтового излучения Вселенной. Благодаря специальной системе охлаждения инженеры планируют охладить OST до 4 Кельвинов. Разрыв звучит небольшим, но с технической точки зрения это очень сложная задача.

Вместо того, чтобы охладить аппарат жидким гелием, как это было сделано с телескопом «Спитцер», каждую деталь Origins Space Telescope необходимо будет охлаждать поэтапно, начиная с зеркал, радиаторов и заканчивая криокулером, установленным вокруг самих инструментов.

С помощью огромного холодного инфракрасного телескопа планируется изучение процессов формирования галактик, звезд и планет, а также поиск воды и парниковых газов в атмосферах экзопланет и исследования межзвездной пыли.

Представленные выше три проекта безусловно смогут продвинуть развитие астрономии вперед и повысить наши знания о Вселенной. Но самый большой и самый крутой проект ожидает вас ниже.

Золотое зеркало Уэбба

То самое зеркало

Золотое зеркало нового телескопа — прорыв в космической отрасли. Размер зеркала равен 6,5 метра (у Хаббла — 2,4 метра). Поскольку общие размеры зеркала не позволили бы разместить его в ракете-носителе, разработчики телескопа решили сделать зеркало из сегментов, которые раздвинутся на орбите. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов составляет 1,32 метра от ребра до ребра, масса зеркала в каждом сегменте — 20 кг, а масса всего сегмента в сборе (вместе с оборудованием) равна 40 кг.

Размеры зеркала нового телескопа

В данном случае размер действительно имеет значение. Представьте себе зеркало телескопа как ведро для сбора света. Чем больше света вы сможете собрать в этом ведре, тем более тусклые и удаленные от нас объекты вы сможете разглядеть. Кроме того, лицевая сторона зеркала покрыта тонким слоем золота. Этот металл выбрали из-за способности эффективно отражать инфракрасное излучение с длиной волны от 0,6 до 28,5 микрометра (мы ощущаем его как тепло). Это необходимо для изучения малых тел, например, экзопланет. Общая масса покрытия составляет 48,25 грамма.

Высочайшая чувствительность — очень важное качество нового космического телескопа. Вспомните одну из самых известных фотографий Хаббла: Hubble Deep Field

Это изображение участка неба, полученное с очень длительной экспозицией. В 1995 году учёные установили Хаббл так, чтобы он был сфокусирован на крошечный кусочек неба (размером с булавочную головку, которую держат на расстоянии вытянутой руки) и улавливал как можно больше света на этом участке. Полученные результаты взбудоражили умы всех, кто так или иначе связан с космосом. Хаббл обнаружил тысячи галактик на этом крошечном участке.

Тот самый снимок

Эти фотографии показывают, что Уэбб можно использовать в качестве машины времени. В астрономии чем дальше объекты, тем они старше (потому что свету требуется очень много времени, чтобы добраться до Земли). Это означает, что «Глубокое Поле» — это не просто фотография космоса: она содержит историю нашей Вселенной. Галактики на этом изображении кажутся нам такими, какими они были миллиарды лет назад.

Посмотрите на изображение ниже. Это два изображения Столпов Творения. Слева находится снимок, сделанный Хабблом. Справа показано, как это выглядит в инфракрасном диапазоне, что ближе к тому, что покажет Уэбб.

Колоссальная разница! Именно поэтому учёные мечтают заглянуть во Вселенную во времена ближе к Большому взрыву. Ведь с помощью Хаббла астрономы рассмотрели галактику, свет от которой шёл 13,4 миллиарда лет, а сама она находится гораздо дальше, примерно в 45 млрд лет от Земли. То есть этот свет появился через 400 миллионов лет после Большого взрыва, ознаменовавшего рождение Вселенной! А с помощью Уэбба удастся заглянуть дальше.

Новый аппарат получился очень большим. Если Хаббл был размером со школьный автобус, то Уэбб не меньше теннисного корта.

Сравнение зеркала телескопа Уэбба и телескопа Хаббла с человеком