Телескоп вебба когда запустят. Как будет работать космический телескоп Джеймса Уэбба? Изготовление оптической системы

Телескоп «Джеймс Уэбб»

Космические телескопы всегда будут на острие познания космоса - им не мешает ни с ее искажениями и облачностью, ни вибрации и шумы на поверхности планеты. Именно внеземные устройства позволили получить детальные и красивые фотографии отдаленных туманностей и галактик, которые даже не видны человеческому глазу на ночном небе. Однако в 2018 году начнется новая эпоха в изучении космоса, которая отодвинет дальше видимые границы Вселенной - будет запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», рекордсмен индустрии. Причем рекорды от бьет не только по характеристикам: стоимость проекта на сегодняшний день достигает 8,8 миллиарда долларов.

Прежде чем говорить об устройстве и функционале «Джеймса Уэбба», стоить разобраться, для чего он нужен. Казалось бы, изучению Вселенной мешает всего-то одна атмосфера Земли, и можно попросту доставить телескоп с прикрученной к нему камерой на орбиту и радоваться жизни. Но при этом «Джеймса Уэбба» разрабатывают уже больше десятка лет, а итоговый бюджет еще на стадии раннего проецирования превысил стоимость его предшественника, ! Следовательно, орбитальный телескоп - это нечто более сложное, чем любительская подзорная труба на треноге, и его открытия будут в сотни раз ценнее. Но что такого особенного можно исследовать телескопом, тем более космическим?

Подняв голову к небу, каждый может увидеть звезды. Но изучение отдаленных на миллиарды километров объектов - достаточно сложная задача. Свет звезд и галактик, который движется миллионами, а то и миллиардами лет, претерпевает значительные изменения - а то и вовсе не доходит до нас. Так, пылевые облака, которые часто распространены в галактиках, способны полностью поглотить все видимое излучение звезды. Еще непрестанное расширение Вселенной приводит к света - его волны стают длиннее, изменяя диапазон в сторону красного, или же невидимого инфракрасного. А сияние даже самых больших объектов, пролетев расстояние в миллиарды световых лет, становится подобно свету карманного фонарика среди сотен прожекторов - для обнаружения сверхотдаленных галактик требуются приборы невиданной чувствительности.

Главное зеркало телескопа «Джеймс Уэбб»

NASA и ESA опубликовали список первых целей космического телескопа «Джеймс Уэбб», запуск которого назначен на 2018 год. Прибор станет крупнейшим космическим телескопом, работающим в оптическом, ближнем и среднем инфракрасном диапазонах - диаметр его главного зеркала почти в три раза больше такового у «Хаббла» - 6,5 метра. Среди целей - планеты и малые тела Солнечной системы, экзопланеты и протопланетные диски, галактики и скопления галактик, далекие квазары. Об этом сообщает пресс-релиз NASA, список опубликован на сайте телескопа.

Телескоп имени Джеймса Уэбба разрабатывается с 1996 года - он должен в некотором смысле сменить «Хаббл» и обеспечить гораздо большее разрешение и чувствительность, чем земные и космические инфракрасные телескопы. С работой телескопа связывают надежды на исследование ранних галактик (527-980 миллионов лет после Большого Взрыва). В тот момент в пространстве было много нейтрального водорода, поглощавшего ультрафиолетовое излучение звезд.

Приборное время телескопа распределяется по заявкам от научных групп. Приоритет в заявках и около 10 процентов времени выделены для научных групп, помогавших в разработке телескопа. Запросы именно от этих научных групп и были недавно опубликованы. Они сгруппированы тематически на: объекты Солнечной системы, экзопланеты, коричневые карлики, протозвезды, осколочные диски, звездные скопления и области звездообразования, галактики, скопления галактик и квазары, а также обзоры дальнего космоса.

Среди малых тел запланированы наблюдения Цереры, Паллады, астероида Рюгу (его через год достигнет «Хаябуса-2»), транснептуновых объектов и нескольких комет. Из экзопланет можно выделить HD189733b (обладательница ), HAT-P-26b (на ней ), TRAPPIST-1e (находится в обитаемой зоне недавно системы из семи экзопланет), HD131399 (это система из трех звезд, в которой ). Всего запланированы исследования нескольких десятков экзопланет, в том числе и их атмосфер. Среди других объектов известная система беты Живописца с обломочным диском, туманность Конская голова, остаток сверхновой SN 1987A и несколько квазаров, которые мы видим такими, какими они были через миллиард лет после Большого взрыва или меньше. Всего запланировано уже свыше 2100 наблюдений.

Сейчас «Уэбб» находится на стадии тестирования основных систем. Его главное зеркало было полностью в феврале 2016 года, оно состоит из 18 шестиугольных сегментов. Общая площадь составляет 25 квадратных метров, масса - 705 килограммов. Каждый сегмент массой 20,1 килограмма изготовлен из бериллия и покрыт слоем золота толщиной 100 нанометров.

Владимир Королёв

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption С октября прошлого года научные приборы телескопа проходят испытания в вакуумной камере Центра Годдарда

Работа по подготовке к запуску преемника орбитального телескопа "Хаббл" - космической обсерватории "Джеймс Уэбб" - вступила в решающий этап.

Инженеры НАСА заканчивают сборку основного зеркала нового телескопа. Запуск нового телескопа планируется теперь на октябрь 2018 года.

Завершаются также криогенные испытания и калибровка четырех основных блоков научной аппаратуры телескопа.

Проект НАСА по запуску новой орбитальной обсерватории вступил таким образом в финальную стадию, и в ближайшие месяцы можно ожидать быстрого завершения остающихся этапов подготовки к старту.

Телескоп планируется запустить с помощью европейской ракеты-носителя "Ариан-5", что определило многие особенности конструкции телескопа, в частности, тот факт, что главное его зеркало состоит из сегментов.

Орбитальный телескоп "Джеймс Уэбб", названный так по имени второго руководителя NASA, финансируется американским аэрокосмическим агентством, Европейским космическим агентством и Канадским космическим агентством.

Первичными задачами нового телескопа являются обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также "Уэбб" сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной и что её вызвало.

Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 астрономических единиц (а. е.) от своих звёзд и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет.

В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря новому телескопу ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет, что будет являться недостижимым показателем для любого наземного и орбитального телескопа вплоть до начала 2020-х годов, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м.

Срок работы телескопа составит не менее пяти лет.

В последние недели инженеры НАСА были заняты приклеиванием сегментов главного зеркала, изготовленных из бериллия, к несущей конструкции зеркала.

В ближайшие несколько дней последние два восьмиугольных сегмента будут установлены в нужное для закрепления положение.

Тем временем в соседнем помещении центра имени Годдарда в штате Мэриленд рядом с цехом сборки завершаются криогенно-вакуумные испытания научной аппаратуры будущего телескопа.

"Джеймс Уэбб" будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:

• Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera);
• Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (Mid-Infrared Instrument);
• Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph);
• Датчик точного наведения c устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).

Начиная с октября прошлого года, эти приборы находились в вакуумной камере, температура в которой была снижена до минус 233 градусов Цельсия.

Уже получены данные калибровки приборов, которые будут иметь огромное значение для управления телескопом в глубоком космосе.

Эти испытания помогли выявить ряд дефектов и заменить ненадежное оборудование и детали. В телескопе имеется 250 тысяч крышек и затворов, часть которых имеют неприятный дефект "залипания" в вакууме под воздействием вибраций при запуске с Земли.

Вибрация ракеты-носителя была симулирована в ходе нынешних испытаний, и замененные детали доказали свою повышенную надежность.

Остается провести более общие оптические, вибрационные и акустические испытания всех систем телескопа.

Затем зеркало и научные приборы будут доставлены в Центр имени Джонсона для дальнейших криогенно-вакуумных испытаний в камере, которая была построена в 1960-е годы для испытаний ракетной техники проекта "Аполлон". Эти испытания начнутся примерно через год.

После их завершения к телескопу будет присоединен модуль систем управления, в котором будут установлены бортовые компьютеры и системы связи.

В последнюю очередь на телескоп будет установлен гигантский солнечный щит размером с теннисный корт, который защитит оптические системы от воздействия солнечных лучей.

До октября 2018 года осталось ждать не так уж долго.

С каждым дополнительным сантиметром апертуры, каждой дополнительной секундой времени наблюдения и каждым дополнительным атомом атмосферных помех, удаленным из поля обзора телескопа, лучше, глубже и понятнее можно будет увидеть Вселенную.

25 лет «Хабблу»

Когда телескоп «Хаббл» начал функционировать в 1990 году, он открыл новую эру в астрономии - космическую. Не нужно было больше бороться с атмосферой, беспокоиться об облаках или электромагнитных мерцаниях. Все, что требовалось, - это развернуть спутник на цель, стабилизировать его и собирать фотоны. За 25 лет космические телескопы начали охватывать весь электромагнитный спектр, что позволило впервые рассмотреть Вселенную на каждой длине волны света.

Но поскольку наше знание увеличилось, выросло и наше понимание неизвестного. Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем более глубокое прошлое мы видим: конечное количество времени с момента Большого взрыва в сочетании с конечной скоростью света обеспечивает предел того, что мы можем наблюдать. Более того, расширение самого пространства работает против нас, растягивая звезд, пока он путешествует по Вселенной к нашим глазам. Даже космический телескоп «Хаббл», дающий нам самое глубокое, самое захватывающее изображение Вселенной, которое мы когда-либо открывали, в этом отношении ограничен.

Недостатки «Хаббла»

«Хаббл» - удивительный телескоп, но он имеет ряд принципиальных ограничений:

• Всего 2,4 м в диаметре, что ограничивает его
• Несмотря на покрытие светоотражающими материалами, он постоянно находится под прямыми солнечными лучами, которые его нагревают. Это значит, что из-за тепловых эффектов он не может наблюдать длину волны света более 1,6 мкм.
• Сочетание ограниченной светосилы и длин волн, к которым он чувствителен, означает, что телескоп может видеть галактики возрастом не старше 500 млн лет.

Эти галактики прекрасны, далеки и существовали тогда, когда Вселенной было всего около 4% от ее нынешнего возраста. Но известно, что звезды и галактики существовали еще раньше.

Чтобы увидеть должен обладать более высокой чувствительностью. Это означает переход на более длинные волны и более низкие температуры, чем у «Хаббла». Именно поэтому и создается космический телескоп Джеймса Вебба.

Перспективы для науки

James Webb Space Telescope (JWST) предназначен для преодоления именно этих ограничений: с диаметром 6,5 м телескоп позволяет собирать в 7 раз больше света, чем "Хаббл". Он открывает возможность ультра-спектроскопии высокого разрешения от 600 нм до 6 мкм (в 4 раза больше длины волны, которую способен увидеть "Хаббл"), проводить наблюдения в средней инфракрасной области спектра с более высокой чувствительностью, чем когда-либо прежде. JWST использует пассивное охлаждение до температуры поверхности Плутона и способен активно охлаждать приборы средней инфракрасной области вплоть до 7 K. Телескоп Джеймса Вебба даст возможность заниматься наукой так, как никто раньше этого не делал.

Он позволит:

• наблюдать самые ранние галактики, когда-либо сформировавшиеся;
• видеть сквозь нейтральный газ и зондировать первые звезды и реионизацию Вселенной;
• проводить спектроскопический анализ самых первых звезд (населения III), образовавшихся после Большого взрыва;
• получить удивительные сюрпризы, подобные открытию самых ранних и квазаров во Вселенной.

Уровень научных исследований JWST не похож ни на что в прошлом, и поэтому телескоп был избран в качестве флагманской миссии НАСА 2010-х годов.

Научный шедевр

С технической точки зрения, новый телескоп Джеймса Вебба представляет собой настоящее произведение искусства. Проект прошел долгий путь: были перерасходы бюджета, отставания от графика и опасность отмены проекта. После вмешательства нового руководства все изменилось. Проект вдруг заработал как часы, были выделены средства, учтены ошибки, неудачи и проблемы, и команда JWST стала укладываться во все сроки, графики и бюджетные рамки. Запуск аппарата запланирован на октябрь 2018 года на ракете «Ариан-5». Команда не только следует расписанию, у нее есть девять месяцев в запасе, чтобы учесть все непредвиденные ситуации, чтобы все было собрано и готово к этой дате.

Телескоп Джеймса Вебба состоит из 4 основных частей.

Оптический блок

Включает все зеркала, из которых наиболее эффективны восемнадцать первичных сегментированных позолоченных зеркала. Они будут использоваться для сбора далекого звездного света и фокусирования его на инструментах для анализа. Все эти зеркала в настоящее время готовы и безупречны, сделаны точно по расписанию. По окончании сборки они будут сложены в компактную конструкцию, чтобы быть запущенными на расстояние более 1 млн км от Земли до точки Лагранжа L2, а затем автоматически развернуться с образованием сотовой структуры, которая долгие годы будет собирать сверхдальний свет. Это действительно красивая вещь и успешный результат титанических усилий многих специалистов.

Камера ближнего инфракрасного диапазона

«Вебб» оборудован четырьмя научными инструментами, которые уже готовы на 100%. Основной камерой телескопа является камера ближнего ИК-диапазона: от видимого оранжевого света до глубокой инфракрасной области. Она позволит получить беспрецедентные изображения самых ранних звезд, самых молодых галактик, находящихся еще в процессе формирования, молодых звезд Млечного Пути и близлежащих галактик, сотен новых объектов в поясе Койпера. Она оптимизирована для непосредственного получения изображений планет вокруг других звезд. Это будет основная камера, используемая большинством наблюдателей.

Ближний инфракрасный спектрограф

Данный инструмент не только разделяет свет на отдельные длины волн, но способен это делать для более 100 отдельных объектов одновременно! Этот прибор будет универсальным спектрографом «Вебба», который способен работать в 3-х различных режимах спектроскопии. Он был построен но многие компоненты, включая детекторы и батарея мульти-затвора, предоставлены Центром космических полетов им. Годдарда (НАСА). Этот прибор был протестирован и готов к установке.

Средне-инфракрасный инструмент

Прибор будет использоваться для широкополосной визуализации, то есть с его помощью будут получены наиболее впечатляющие изображения со всех инструментов «Вебба». С научной точки зрения, он будет наиболее полезным при измерении протопланетных дисков вокруг молодых звезд, измерении и визуализации с беспрецедентной точностью объектов пояса Койпера и пыли, разогретой светом звезд. Он будет единственным инструментом с криогенным охлаждением до 7 К. По сравнению с космическим телескопом Spitzer, это позволит улучшить результаты в 100 раз.

Бесщелевой спектрограф ближнего ИК-диапазона (NIRISS)

Прибор позволит производить:

• широкоугольную спектроскопию в ближней инфракрасной области длин волн (1,0 - 2,5 мкм);
• гризм-спектроскопию одного объекта в видимом и инфракрасном диапазоне (0,6 - 3,0 мкм);
• апертурно-маскирующую интерферометрию на длинах волн 3,8 - 4,8 мкм (где ожидаются первые звезды и галактики);
• широкодиапазонную съемку всего поля зрения.

Этот инструмент создан Канадским космическим агентством. После прохождения криогенного тестирования он также будет готов к интеграции в приборный отсек телескопа.

Солнцезащитное устройство

Космические телескопы ими еще не оборудовались. Одной из самых пугающих сторон каждого запуска является применение совершенно нового материала. Вместо того, чтобы охлаждать весь космический аппарат активно с помощью одноразового расходуемого хладагента, телескоп Джеймса Вебба использует совершенно новую технологию - 5-слойный солнцезащитный экран, который будет развернут для отражения солнечного излучения от телескопа. Пять 25-метровых листов будут соединены титановыми стержнями и установлены после развертывания телескопа. Защита тестировалась в 2008 и 2009 годах. Полномасштабные модели, участвовавшие в лабораторных испытаниях, выполнили все, что они должны были сделать, здесь на Земле. Это красивая инновация.

К тому же это еще и невероятная концепция: не просто блокировать свет от Солнца и поместить телескоп в тени, а сделать это таким образом, чтобы все тепло излучалось в направлении, противоположном ориентации телескопа. Каждый из пяти слоев в вакууме космоса будет становится холодным по мере удаления от наружного, который будет немного теплее, чем температура поверхности Земли - около 350-360 K. Температура последнего слоя должна опуститься до 37-40 К, что холоднее, чем ночью на поверхности Плутона.

Кроме того, предприняты значительные меры предосторожности для защиты от неблагоприятной среды глубокого космоса. Одной из вещей, о которых здесь следует беспокоиться, являются крошечные камешки, размером с гальку, песчинки, пылинки и еще меньше, пролетающие через межпланетное пространство со скоростью десятков или даже сотен тысяч км/ч. Эти микрометеориты способны проделывать крошечные, микроскопические отверстия во всем, с чем они сталкиваются: космических аппаратах, костюмах космонавтов, зеркалах телескопов и многом другом. Если зеркала получат только вмятины или отверстия, что слегка уменьшит количество доступного «хорошего света», то солнечный щит может порваться от края до края, что сделает весь слой бесполезным. Для борьбы с этим явлением была использована блестящая идея.

Весь солнечный щит был разделен на участки таким образом, что, если возникнет небольшой разрыв в одном, двух или даже трех из них, слой не порвется дальше, как трещина в лобовом стекле автомобиля. Секционирование сохранит всю структуру целой, что важно для предотвращения деградации.

Космический аппарат: системы сборки и управления

Это самый обычный компонент, так как есть у всех космических телескопов и научных миссий. У JWST он уникален, но также полностью готов. Все, что осталось сделать генеральному подрядчику проекта компании Northrop Grumman, - закончить щит, собрать телескоп и проверить его. Аппарат будет готов к запуску через 2 года.

10 лет открытий

Если все пойдет правильно, человечество окажется на пороге больших научных открытий. Завеса нейтрального газа, которая до сих пор заслоняла обзор самых ранних звезд и галактик, будет устранена инфракрасными возможностями «Вебба» и его огромной светосилой. Это будет самый большой, самый чувствительный телескоп с огромным диапазоном длин волн от 0,6 до 28 микрон (человеческий глаз видит от 0,4 до 0,7 мкм) из когда-либо построенных. Ожидается, что он обеспечит десятилетие наблюдений.

Согласно НАСА, срок миссии «Вебба» составит от 5,5 до 10 лет. Он ограничен количеством топлива, которое необходимо для поддержания орбиты, и сроком службы электроники и оборудования в суровых условиях космоса. Орбитальный телескоп Джеймса Вебба будет нести запас топлива на весь 10-летний срок, а через 6 месяцев после запуска будет произведено тестирование обеспечения полета, которое гарантирует 5 лет научных работ.

Что может пойти не так?

Основным ограничивающим фактором является количество топлива на борту. Когда оно закончится, спутник будет дрейфовать в сторону от L2, выйдя на хаотическую орбиту в непосредственной близости от Земли.

Коме этого, могут произойти и другие неприятности:

• деградация зеркал, которая повлияет на количество собираемого света и создаст артефакты изображения, но не повредит дальнейшей эксплуатации телескопа;
• выход из строя части или всего солнечного экрана, что приведет к повышению температуры космического аппарата и сузит используемый диапазон длин волн до очень близкой инфракрасной области (2-3 мкм);
• поломка системы охлаждения инструмента среднего ИК-диапазона, что сделает его непригодным для использования, но не повлияет на другие инструменты (от 0,6 до 6 мкм).

Наиболее тяжелое испытание, которое ожидает телескоп Джеймса Вебба, - запуск и выведение на заданную орбиту. Именно эти ситуации тестировались и были успешно пройдены.

Революция в науке

Если телескоп Вебба заработает в штатном режиме, топлива хватит, чтобы обеспечить его работу с 2018 по 2028 год. Кроме того, существует потенциальная возможность дозаправки, которая могла бы увеличить срок службы телескопа еще на одно десятилетие. Подобно тому, как «Хаббл» эксплуатировался в течение 25 лет, JWST мог бы обеспечить поколение революционной науки. В октябре 2018 года ракета-носитель «Ариан-5» выведет на орбиту будущее астрономии, которое после более 10 лет напряженной работы уже готово начать приносить плоды. Будущее космических телескопов почти наступило.

Агентство NASA сегодня подтвердило планы по проекту телескопа Джеймс Уэбб. Руководство заявило, что и текущий бюджет, и планы по запуску космического телескопа на 2018 год актуальны. Стоит отметить, что в самом агентстве рассматривают этот телескоп, скорее, как следующую модель Хаббла, чем его замену.

Возможности телескопа значительно превышают возможности Хаббла. «Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр зеркала «Хаббла» - 2,4 метра) с площадью собирающей поверхности 25 м² и солнечным щитом размером с теннисный корт. Телескоп будет размещён в точке Лагранжа L2 системы Солнце - Земля.

Джеймс Уэбб сможет совершить путешествие в далекое прошлое Вселенной - на время от 100 до 250 млн лет после Большого Взрыва. Другими словами, новый телескоп сможет заглянуть значительно дальше в глубины космического пространства, чем Хаббл, который может «путешествовать» не далее, чем на 800 млн - 1 млрд лет после Большого Взрыва. Кроме того, Уэбб не «заточен» под видимый свет, его специализация - инфракрасный спектр. Тем не менее, Джеймс Уэбб может фиксировать и излучение, видимое глазу человека.

Моделирование того, что «увидит» телескоп Джеймс Уэбб и что видит Хаббл в одной и той же точке пространства

Сложности реализации проекта

Основная проблема таких крупных проектов, как Джеймс Уэбб и Хаббл - бюджет. Что первый, что второй проект вышли за бюджетные рамки. Но, поскольку значительная часть бюджета уже освоена, ничего не остается, кроме как продолжать реализацию планов.

В случае с Хабблом ситуация была усложнена еще и тем фактом, что зеркало было изначально неправильно установлено. Это повлияло на возможности телескопа, и прошло много времени, чем ошибка была подкорректирована при помощи внешней экспедиции, во время которой были установлены коррекционные линзы.

Что касается Джеймса Уэбба - здесь ошибка непростительна. Как уже говорилось выше, новый телескоп планируется установить в точке Лагранжа L2. Если что-то пойдет не так, о проекте придется забыть. Тем не менее, шансы на успешную реализацию проекта довольно значительны.