Битва космических титанов: «Джеймс Уэбб» против «Хаббла»

Свет мой, зеркальце, скажи…

Основной характеристикой любого телескопа, от гигантского научного до любительского детского телескопа, является размер объектива. Космические телескопы не являются исключением. И Хаббл, и Джеймс Уэбб — телескопы-рефлекторы: они собирают излучение звезд, планет и других космических объектов с помощью специального зеркала. Чем больше диаметр зеркала, тем более мелкие детали может уловить телескоп; Чем больше площадь зеркала, тем более тусклые и удаленные объекты можно увидеть в телескоп.

Самое большое зеркало позволяет Джеймсу Уэббу охватить наблюдениями в 15 раз больше пространства, чем доступно Хабблу»

Диаметр главного зеркала Хаббла составляет 2,4 метра. «Джеймс Уэбб» может похвастаться самым большим зеркалом в истории: диаметр составляет целых 6,6 метра!

Зеркало Хаббла монолитное: оно изготовлено из цельного куска кремниевого стекла, покрытого алюминием, — и имеет площадь 4,5 квадратных метра. Он весит около тонны – целых 828 килограммов!

А у «Джеймса Уэбба» есть сегментный, сделанный из бериллия и покрытый золотом!

У Джеймса Уэбба есть сегментированное зеркало: оно состоит из 18 шестиугольных сегментов. Благодаря такой конструкции часть зеркала при старте складывалась. Зачем превращать телескопическое зеркало в сложный конструктор? Все очень просто: чтобы телескоп во время полета поместился в ракету, которая запустит его в космос! До изобретения разборных частей исследовательских аппаратов размеры зеркал космических телескопов ограничивались размерами грузового отсека ракеты или космического корабля, предназначенного для отправки «космического фотографа» на свидание со звездами.

Конструкция, напоминающая оригами, позволила расширить площадь зеркала Джеймса Уэбба до 25 квадратных метров. Звучит как научная фантастика, но благодаря огромному полю зрения новый телескоп сможет охватить в 15 раз больше пространства, чем «Хаббл»!

Чтобы все сегменты зеркала Уэбба были «собраны» в единую отражающую поверхность, их положение с большой точностью контролируется 126 небольшими моторчиками, управляемыми компьютером. Шестиугольная форма сегментов позволяет без отверстий соединить их с круглым зеркалом, что немаловажно, поскольку круглая форма позволяет максимально правильно сфокусировать собираемое излучение.

Парадоксально, но при всех своих размерах, сложностях и тонкостях регулировки зеркало Джеймса Уэбба весит всего 705 килограммов! Причиной тому является бериллий — редкий металл, заменивший стекло в зеркале нового телескопа. Этот металл прочнее многих видов стали, но при этом в четыре раза легче. Кроме того, бериллий практически не расширяется под воздействием тепла, что очень важно для работы в суровых комнатных условиях.

Заготовки для сегментов зеркала Джеймса Уэбба были получены путем прессования порошка бериллия в специальные формы из нержавеющей стали. Затем им придали окончательную форму, шлифовали и полировали. Заготовки зеркал прошли испытания на устойчивость к бомбардировке микрометеороидами.

Если зеркало Хаббла покрыто алюминием, то у Джеймса Уэбба роль играет отражающее покрытие из… золота! Именно поэтому новый телескоп получил прозвище «Золотой глаз». Толщина золотого слоя на зеркале Уэбба составляет всего 100 нанометров (в 1000 раз тоньше человеческого волоса!). Драгоценный металл на зеркала был нанесен методом вакуумного напыления*. При этом на всю обсерваторию было использовано 48,25 граммов золота – это можно сравнить с массой мяча для гольфа!

Почему для зеркал Webb был выбран такой редкий металл? Дело не в прекрасном блеске; золото очень хорошо отражает виды излучения, изученные Джеймсом Уэббом, особенно инфракрасное и длинноволновое видимое излучение (подробнее об этом позже). Для защиты мягкого металла от царапин поверх золотого покрытия наносился тонкий слой аморфного диоксида кремния.

Новый дом, до которого не добраться

Стоит сразу сказать, что практически любое освоение космоса так или иначе связано с желанием найти для человечества новый дом, который можно будет безопасно колонизировать. Мы еще не достигли Марса, и там достаточно отличий от Земли, поэтому эта миссия кажется скорее блестящей идеей, чем реальным планом по расширению человеческих ресурсов. Но создатели телескопа Джеймса Уэбба полагают, что благодаря его способности «видеть» сквозь пыль и газы процесс поиска нового дома заметно ускорится.

Есть даже мнение, что всего за три-четыре года учёным удастся найти планету, пригодную для жизни. У Хаббла такой возможности нет, поскольку оптика этого телескопа позволяет вести наблюдения исключительно в видимом спектре и лишь частично в инфракрасном – из-за этого он не способен ничего увидеть за столбами пыли и газов.

Дело в том, что телескоп позволяет изучать состав атмосфер планет, вращающихся вокруг собственных звезд, так же, как Земля вокруг Солнца. А учитывая пространство, которое теперь будет доступно для изучения, шансы найти такую ​​планету очень высоки – если даже в нашей Солнечной системе найдется пара-тройка кандидатов, то во всей Вселенной, особенно в первых галактиках, их должно быть несколько их будет намного больше.

Другое дело, что добраться до потенциального дома пока невозможно — даже если учёным удастся обнаружить «Землю 2.0» с подходящей атмосферой, погодными условиями, гравитацией и другими параметрами, современные космические корабли не смогут выйти даже за пределы нашей системы, чем, скажем, далёкие галактики.

Это означает, что если оптимистические прогнозы ученых оправдаются, мы обязательно узнаем о существовании возможного нового дома уже к концу десятилетия. И хотя человечество точно не будет отмечать новоселье при нашей жизни, кто знает, что будет с технологией через 100-200 лет. Вполне вероятно, что открытия, сделанные «Джеймсом Уэббом» за три-четыре года, позволят через столетие реально высадиться на планете, похожей на Землю.

Машина времени в галактических масштабах

Риск может быть высоким, но конечный результат слишком привлекателен – благодаря телескопу Джеймса Уэбба ученые смогут заглянуть в прошлое, увидеть экзопланеты, звезды и галактики, образовавшиеся всего через 200 миллионов лет после Большого взрыва, который породила нашу Вселенную. Полученная информация позволит изучить, как выглядят древнейшие звезды, как они трансформировались с течением времени, каковы их характерные особенности и, самое главное, как они формировались на заре Вселенной. Раньше, при Хаббле, человечество могло изучать только звезды, образовавшиеся через 480 миллионов лет после Большого взрыва.

Ученые также полагают, что, если повезет, благодаря Уэббу, научное сообщество даже сможет увидеть своими глазами (образно говоря), как рождаются звезды в далеких галактиках — новый космический корабль сможет улавливать и инфракрасные волны от термоядерных слияние атомов.

«Межзвездная пыль, составляющая «Столпы Творения» (самая известная фотография космоса, показывающая огромные скопления космической пыли и газов, где начинают формироваться первые звезды), становится прозрачной в инфракрасном диапазоне. Благодаря новому телескопу «Мы сможем заглянуть в него и увидеть, что там происходит. Увидеть своими глазами, где рождаются новые звезды, и изучить их очень подробно», — сказала Хайди Хаммель, планетарный астроном (которая также возглавляла миссию Хаббла»).

Титаны астрономии

Хаббл далеко не маленький: его длина 13,2 метра, а диаметр достигает 4,2 метра. Знаменитый телескоп тоже весит немало – 10 886 килограммов.

Однако «Джеймс Уэбб», как настоящий подростковый ускоритель нового поколения, значительно перерос своего старшего товарища: навес площадью 21,1х14,6 метра по размерам сравним с теннисным кортом, а максимальная высота из новых телескоп достигает восьми метров! Но Уэбб весит меньше Хаббла – около 6500 килограммов.

Чем он лучше крупных наземных телескопов?

Существуют наземные телескопы, которые могут попытаться соперничать по бдительности с телескопом Джеймса Уэбба. VLT, Обсерватория Кека, GTC уже работают, а ELT и GMT готовятся к работе. Однако даже самые совершенные системы адаптивной оптики способны корректировать атмосферные помехи только для небольших участков неба, близких к опорным звездам, и поэтому наблюдения с большим полем зрения будут беднее по деталям, чем космические телескопы.

Кроме того, в инфракрасном диапазоне наземные телескопы работают гораздо хуже космических: водяной пар в атмосфере поглощает часть излучения.

Сколько он проработает?

Предполагаемый срок жизни Джеймса Уэбба короче временных рамок его создания. Телескоп должен проработать не менее пяти с половиной лет, а через 10 лет после запуска у него закончится топливо, а значит, он потеряет способность поддерживать стабильную гало-орбиту вокруг точки Лагранжа.

Что будет с телескопом дальше, пока не определено, но его можно было бы, например, вывести на гелиоцентрическую орбиту, где он навсегда останется выключенным, как это было с инфракрасным телескопом «Гершель». При этом астрономы надеются, что техническое состояние «Хаббла» позволит двум телескопам работать вместе как минимум несколько лет.

Читайте также: Настройка NFC на Xiaomi Mi Band 4: какие банки поддерживает, как добавить карту и оплачивать

Где летают и цена ошибки

Проект Джеймса Уэбба отменялся несколько раз – не только потому, что он стоил 10 миллиардов долларов налогоплательщиков (в 20 раз больше первоначального бюджета), но и потому, что единственная ошибка могла сделать все это ненужным, превратив в груду металла в космосе. Дело в том, что для получения достаточно точной информации телескоп должен работать при температуре практически абсолютного нуля — в этом случае атомы в окружающей космической среде практически перестают двигаться, создавая идеальные условия для наблюдения за дальним космосом.

Более того, только при такой температуре Уэбб может снизить собственный фоновый шум до нуля, что также крайне важно для получения точных данных.

Ученые решили, что идеальным местом для размещения телескопа является точка L2 (вторая точка Лагранжа) – в этом случае телескоп будет расположен на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли, при этом он всегда будет находиться в тени родная планета наша. Благодаря этому (и огромному защитному экрану, состоящему из нескольких слоев) сторона, обращенная к Солнцу, будет иметь температуру 85 °C, а боковое пространство будет охлаждаться до -233 °C.

Достичь такой низкой температуры можно, и без этого точность исследования будет крайне посредственной, только на этот раз Л2, но с ней есть определенные проблемы. Точнее, есть одна проблема, но достаточно серьезная.

Суть проблемы в том, что «Уэбб» — это необслуживаемый космический телескоп с очень сложным механизмом открытия, который при отделении от грузового отсека ракеты-носителя невозможно отремонтировать или модифицировать («Хаббл» приходилось ремонтировать несколько раз). Ведь современные космические корабли просто не смогут доставить астронавтов к телескопу, даже если возникнет такая необходимость – пока человечество не умеет улетать так далеко от Земли.

Получается очень опасная ситуация — в точке L2 телескоп будет просто бесполезен, а пока он там, Уэбб за космическую сумму денег может сломаться в любой момент без возможности ремонта (это внутренние ресурсы телескопа, но они могут решить лишь определенные трудности).

А ремонт, как показала история, вполне может понадобиться — тот же «Хаббл», находящийся на околоземной орбите, несколько раз модернизировался и ремонтировался, и только после этого смог эффективно выполнять свою задачу. Если бы «Хаббл» оказался вне досягаемости НАСА, то его могли бы закрыть буквально через пару лет после запуска — без модернизации и ремонта он не смог бы завершить предписанную программу исследований.

Зачем ему пятислойный экран?

Обсерватории необходим экран для защиты оптической системы и научных приборов от излучения Солнца, Земли и Луны. Рабочая температура Джеймса Уэбба составляет менее 50 Кельвинов. В разложенном виде экран размером с теннисный корт — 21,1 х 14,6 метра. Он состоит из пяти тонких слоев каптона, каждый из которых покрыт алюминием. Кроме того, первые два слоя, обращенные к солнцу, также имеют покрытие из легированного кремния.

Вакуум между слоями улучшает теплоизоляцию – один толстый каптоновый экран будет проводить тепло лучше, чем пять слоев, разделенных вакуумом. Моделирование показывает, что максимальная температура первого слоя составит 383 Кельвина, а минимальная температура последнего слоя — 36 Кельвина.

Каждый слой экрана невероятно тонкий: первый слой имеет толщину всего 0,05 миллиметра, а остальные — 0,025 миллиметра. Толщина алюминиевого покрытия составляет 100 нанометров, кремниевого покрытия — 50 нанометров.

Чем «Джеймс Уэбб» лучше «Хаббла»?

Хаббл служил астрономам 31 год. Легендарный телескоп совершил открытия в широком спектре областей астрофизики и космологии – но его возможности все еще ограничены. Главное зеркало Джеймса Уэбба в шесть раз больше, чем у Хаббла, его инструменты значительно более чувствительны, а его тепловой экран и орбита вокруг второй точки Лагранжа снизят тепловые помехи в наблюдениях до исторического минимума.

Джеймс Уэбб сможет видеть объекты в сотни раз тусклее, чем способен Хаббл, от первых звезд и галактик Вселенной до крошечных экзопланет. Кроме того, «Хаббл» практически исчерпал свой ресурс, а орбитальные инфракрасные космические телескопы WISE, «Спитцер» и «Гершель», ранее предоставлявшие астрономам данные в этом диапазоне длин волн, уже завершили свои научные программы.

Здесь стоит отметить, что Джеймс Уэбб является преемником, а не заменой Хаббла, поскольку он будет изучать в первую очередь Вселенную в инфракрасном диапазоне длин волн, тогда как Хаббл изучает ее преимущественно в оптической и ультрафиолетовой части спектра.

А что насчет темной материи и энергии?

Обсерватория будет наблюдать гравитационное линзирование, которым могут быть галактики и скопления галактик, что позволит оценить их массу и долю темной материи в ней. Кроме того, Джеймс Уэбб зафиксирует очень далекие взрывы сверхновых, что позволит уточнить скорость расширения Вселенной в разные времена ее существования.

Зачем телескопу лететь куда-то в космос, а не работать на околоземной орбите?

Гало-орбита вокруг второй точки Лагранжа в системе Солнце-Земля, расположенная в 1,5 миллионах километров от Земли, является идеальным местом для размещения телескопа, который необходимо охладить до низких температур. На низкой околоземной орбите ему потребуются гигантские запасы теплоносителя, а вот на гало-орбите запаса гелия хватит только для прибора MIRI, а остальные системы будут охлаждаться сами — за счет радиации. Кроме того, обсерватория возле L2 сможет защитить себя тепловым экраном одновременно от Солнца, Земли и Луны. В то же время Джеймсу Уэббу требуется сравнительно мало топлива, чтобы оставаться на орбите.

Зачем ему золотое зеркало?

Главное зеркало обсерватории представляет собой уникальную оптическую систему. Он в шесть раз больше «Хаббла» (площадь 27 квадратных метров) и при этом почти на треть легче — 625 килограммов против почти одной тонны. Это связано с тем, что основным материалом для зеркал является не стекло, а бериллий – очень легкий и прочный материал, который к тому же имеет меньший по сравнению со стеклом коэффициент теплового расширения.

Многие детали сверхзвуковых самолетов изготовлены из бериллиевых сплавов, и он уже опробован в качестве материала для зеркала на телескопах «Спитцер» и IRAS. Заготовки зеркал были проверены на устойчивость к бомбардировкам микрометеороидов и показали, что они могут им противостоять.

Заготовки были получены прессованием порошка бериллия в формы из нержавеющей стали. Затем им придали окончательную форму, шлифовали и полировали. Затем каждое из зеркал было покрыто тонким слоем золота методом осаждения из газовой фазы в вакууме: толщина золотого покрытия составляет сто нанометров, а всего на обсерваторию было использовано 48,25 граммов чистого золота, что сравнима с массой мяча для гольфа.

Золото выбрано не случайно – оно лучше отражает инфракрасное излучение и длинноволновую часть оптического излучения. Поверх золотого покрытия наносится тонкий слой аморфного кремнезема для защиты от царапин. Работа над главным зеркалом была завершена в 2016 году.

Если бы зеркало Джеймса Уэбба было монолитным, оно просто не помещалось бы под обтекателем ракеты-носителя, поэтому его сделали сегментным. Он состоит из 18 сегментов, каждый весом 20 килограммов. Две боковые части зеркала, каждая из которых состоит из трех сегментов, разборные, что позволяет поместить их в ракету.

Шестиугольная форма сегментов позволяет получить зеркало примерно круглой формы, диаметром 6,5 метра, без отверстий (изначально планировалось, что главное зеркало должно быть длиной 8 метров, но при реализации проекта от этой идеи отказались) был пересмотрен). Положение сегментов контролируется 126 маленькими моторчиками.

Оптическая схема обсерватории представляет собой трехзеркальный анастигмат Корша, где главное зеркало и третичное зеркало вогнутые, а вторичное выпуклое. Это означает, что можно свести к минимуму большие оптические аберрации и расширить поле зрения телескопа. Рабочий диапазон длин волн, на которых будут проводиться наблюдения, составляет от 0,6 до 28 микрометров: таким образом, телескоп будет охватывать диапазон от длинноволновой части оптического диапазона до среднего инфракрасного диапазона. Угловое разрешение Джеймса Уэбба составит около 0,1 угловой секунды на длине волны 2 микрометра. Это означает, что он способен детально рассмотреть футбольный мяч на расстоянии 550 километров.

Значит «Джеймс Уэбб» сможет заглянуть в прошлое?

Да. Поскольку скорость света ограничена, мы можем видеть процессы, происходившие во Вселенной миллионы и миллиарды лет назад, наблюдая за очень далекими объектами. Обсерватория рассмотрит самые первые признаки звездообразования, которое началось через 100–250 миллионов лет после Большого взрыва, а также первые звезды и галактики, существовавшие в эпоху реионизации, включая квазары, содержащие активные сверхмассивные черные дыры. Таким образом можно будет протестировать модели эволюции галактик.

А что насчет экзопланет?

Телескоп сможет регистрировать прямое излучение юпитероподобных экзопланет от ближайших к нам звезд, а также обнаруживать экзопланеты транзитным методом (в момент пересечения ими диска своей звезды). При этом чувствительность телескопа позволит по спектрам пропускания определить даже примерный состав их атмосферы. В частности, данных Джеймса Уэбба будет достаточно, чтобы понять, есть ли в атмосфере конкретной экзопланеты водяной пар, углекислый газ, изопрен и метан, что могло бы указывать на возможность существования там жизни. Новый телескоп также будет учитывать протопланетные диски вокруг молодых звезд и областей звездообразования. Таким образом, с помощью данных Уэбба можно будет проследить формирование вокруг них как звезд, так и планет.

А в Солнечной системе он сможет что-нибудь изучить?

Джеймс Уэбб будет наблюдать за всеми телами Солнечной системы, которые находятся дальше от Солнца, чем Земля. Это кометы, транснептуновые объекты, карликовые планеты, астероиды, а также Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и спутники газовых гигантов, таких как Энцелад или Европа.