Чего нам ждать от телескопа имени Джеймса Уэбба?

Наука и жизньHi-Tech

«Уэбб»: наследник великих космических обсерваторий

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Газопылевые облака в туманности Орёл (M 16), получившие название Столпы творения за протекающие в них процессы звездообразования. Изображения сделаны с помощью космического телескопа «Хаббл». В оптическом диапазоне, где пыль скрывает большинство звёзд. Фото: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Значительная часть достижений современной астрономии за последние несколько десятков лет связана с космическими обсерваториями. Именно они сделали астрономию всеволновой, позволяя исследовать Вселенную во всех диапазонах электромагнитных волн. Особенно много данных было получено крупнейшими из космических обсерваторий, в первую очередь — телескопом имени Эдвина Хаббла, который находится на орбите уже более 30 лет. И вот к ним присоединяется телескоп имени Джеймса Уэбба, запуск которого в самом конце 2021 года некоторые комментаторы уже назвали историческим событием. Что же это за телескоп и чего нам от него ждать?

Зачем астрономам космические телескопы?

Земная атмосфера пропускает электромагнитное излучение лишь в двух диапазонах длин волн, получивших название окон прозрачности. Первое соответствует видимому свету и небольшой части прилегающего ультрафиолетового и инфракрасного излучения, второе — радиоволнам. Именно поэтому на Земле строят телескопы, работающие только в этих диапазонах. Для других диапазонов — гамма, рентгеновского, большей части ультрафиолетового и инфракрасного — атмосфера непрозрачна из-за поглощения и рассеяния волн на молекулах и атомах газов. В частности, инфракрасное излучение хорошо поглощается водяным паром. Кроме того, наблюдениям в первом окне прозрачности мешает свечение и загрязнение атмосферы, а также мерцания, порождаемые неоднородностями воздуха, которые размывают изображения. Так что большие телескопы строят в местах с очень чистым и сухим воздухом — на горах и в пустынях (см. статью К. Масленникова «В астрономическом раю. Заметки пулковского астронома о путешествии в Чили, в обсерватории ESO», «Наука и жизнь» № 1, 2019 г.). Стоящие на этих телескопах уникальные системы адаптивной оптики могут корректировать размытие, анализируя свет от эталонных звёзд или искусственных источников, создаваемых мощными лазерами. Однако при этом телескопы получают доступ только к небольшой части неба. Так что за сверхчёткими изображениями на больших площадях и исследованиями на всех длинах волн приходится отправляться в космос, за пределы атмосферы. Тем не менее при всех своих достоинствах у космических обсерваторий есть важный недостаток: они очень дороги и, как правило, их нельзя обслуживать.

Развёрнутые космические обсерватории по данным на январь 2022 года. Вверху указаны их назначение, основные рабочие диапазоны электромагнитных волн и схематично типы орбит. Солнечные обсерватории имеют разнообразные приборы, поэтому выделены в отдельную категорию (SOL). Внизу – графики углового разрешения в зависимости от длины волны для многих из космических и некоторых наземных телескопов для сравнения. На нижней оси отложена частота и показано положение окон прозрачности. В центре приведён список планируемых будущих миссий. Иллюстрация: Olaf Frohn/armchairastronautics.blogspot.com/CC BY-SA 4.0 (с изменениями)

Среди более сотни уже запущенных космических телескопов особняком стоят так называемые Великие обсерватории, которые благодаря своим уникальным возможностям внесли существенный вклад в астрономию. Первоначально так называлась программа NASA по запуску четырёх самых больших по тем временам космических телескопов. Каждая из этих обсерваторий должна была исследовать свою область электромагнитного спектра, поскольку создать аппаратуру, эффективно работающую на всех длинах волн, невозможно. «Хаббл» — космический телескоп для наблюдений в видимом диапазоне и в ближней ультрафиолетовой области спектра — был запущен в 1990 году. За ним в 1991 году последовала гамма-обсерватория «Комптон». В 1999 году пришёл черёд рентгеновской обсерватории «Чандра». И последним в 2003 году на старт вышел космический телескоп «Спитцер», предназначенный для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне.

Итак, новый космический телескоп

25 декабря 2021 года с европейского космодрома во Французской Гвиане (Южная Америка) стартовал космический телескоп «Джеймс Уэбб» (The James Webb Space Telescope, JWST), который, я полагаю, скоро по традиции будут называть коротко одним словом «Уэбб». На сегодняшний день это крупнейшая и самая сложная в мире обсерватория, которая будет работать в основном в инфракрасном диапазоне. У неё четыре современных научных инструмента с высокочувствительными инфракрасными детекторами беспрецедентного разрешения, что позволит получать на этих длинах волн изображения с гораздо большей чёткостью, чем когда-либо прежде. Так что её тоже по праву можно отнести к разряду великих.

Тестирование кривизны главного зеркала космического телескопа, состоящего из 18 шестиугольных секций. Операция проводится в огромной чистой комнате Центра космических полётов имени Годдарда (NASA). Фото: NASA/Chris Gunn

В создании космической обсерватории стоимостью около 10 миллиардов долларов США участвовало 14 стран. Ведущая организация проекта — NASA (США), но значительный вклад внесли также Европейское космическое агентство (ESA) и Канадское космическое агентство (CSA). Столь фантастические затраты подвигли в 2010 году журнал «Nature» охарактеризовать JWST как «телескоп, который съел астрономию», намекая, что этот проект угрожал финансированию других программ. А ведь тогда планировалось затратить «всего» $6,5 млрд. Для сравнения, на момент запуска «Хаббла» было затрачено $2,5 млрд.

С лёгкой руки NASA новую обсерваторию сейчас все стали рассматривать как продолжателя дела «Хаббла», хотя по используемому диапазону она, скорее, наследница «Спитцера» или «Гершеля», в 2009 году сменившего «Спитцер» на посту самой крупной инфракрасной космической обсерватории. Возможно, что это просто традиция, поскольку идея строительства подобного телескопа возникла ещё в 1996 году, когда американские астрономы выпустили доклад «Космический телескоп ”Хаббл” и не только» («HST and Beyond»). Любопытно, что в 1997 году планируемой датой запуска JWST был назначен 2007 год. А, возможно, пиарщики из NASA сочли, что «Хаббл», будучи пионерским проектом, наиболее известен и успешен. И, самое главное, он до сих пор работает, несмотря на имевшие место проблемы. А вот основная миссия «Спитцера» завершилась ещё в 2009 году, когда на телескопе закончился запас хладагента, обеспечивающего его работу. Хотя официально было объявлено о завершении работы обсерватории только в 2020 году. «Гершель» же прекратил свою работу в 2013-м. Возможно, в NASA надеются, что на «Уэбб» распространится долгожительство «Хаббла». Однако следует учитывать, что «Хаббл» находится на околоземной орбите и его можно обслуживать с помощью шаттлов, а вот с «Уэббом» так сделать не получится, поскольку он расположится значительно дальше.

Проверка развёртывания обеих боковых секций (крыльев) телескопа из сложенного состояния, в котором он будет находиться внутри ракеты-носителя. Фото: NASA/Chris Gunn

Проектная продолжительность основной миссии JWST должна быть не менее 5,5 лет. Срок его службы в итоге ограничен количеством топлива, используемым для поддержания орбиты, и правильным функционированием космического корабля и инструментов обсерватории. «Уэбб» несёт с собой топливо, которого с запасом должно хватить на работу в течение 10 лет. После успешного старта и первых двух коррекций орбиты команда «Уэбба» в своём блоге 29 декабря сообщила, что благодаря точности проведения этих операций удалось сэкономить часть топлива, и это, возможно, позволит обсерватории проработать значительно дольше 10 лет. Остаётся надеяться, что аппаратура обсерватории не подведёт.

Любопытно, что новый телескоп нарушил традицию присваивать обсерваториям имена выдающихся учёных. В 2002 году он был переименован в честь Джеймса Э. Уэбба (1906—1992), второго руководителя NASA (1961—1968), известного прежде всего тем, что он возглавлял серию программ исследования Луны «Аполлон», в результате которых на Луну высадились первые люди. Первоначально же его назвали «Космический телескоп нового поколения» (NGST).

Схематический возможный спектр атмосферы землеподобной экзопланеты при её прохождении (транзите) по диску звезды. По вертикали отложено количество света, прошедшего через атмосферу. Особенности спектра свидетельствуют о присутствии в ней определённых химических соединений. Иллюстрация: NASA/STScI (с изменениями)

Научные задачи JWST, и почему для их решения нужен именно инфракрасный телескоп

У «Уэбба» четыре глобальные цели исследований.

  • Поиск первых галактик или иных светящихся объектов, образовавшихся вскоре после Большого взрыва.
  • Исследование эволюции галактик с момента их образования до настоящего времени.
  • Наблюдение за формированием звёзд от первых стадий до образования планетных систем.
  • Измерение физических и химических свойств планетных систем, включая нашу Солнечную систему, и исследование возможности существования там жизни.

Почему же для решения этих задач важны исследования именно в инфракрасном диапазоне? Укажем основные факторы.

Формирующиеся звёзды и планеты скрыты за коконами пыли, которые поглощают видимый свет и более коротковолновое излучение. За газопылевыми облаками прячутся целые области звездообразования и другие интересные регионы космоса, например, центр нашей Галактики. Однако инфракрасный свет, излучаемый этими объектами, проникает сквозь пылевую завесу благодаря тому, что излучение с большей длиной волны меньше задерживается мелкими частицами пыли. Таким образом, наблюдая излучаемый свет в инфракрасном диапазоне, можно увидеть то, что находится внутри облаков и за ними.

Астрономы обычно делят инфракрасный диапазон на три области: ближний инфракрасный (0,7—5 микрометров, 1 мкм = 10-6 м — одна миллионная метра, микрон), средний инфракрасный (5—30 мкм) и дальний инфракрасный (30—1000 мкм). Космический телескоп «Уэбб» будет работать в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, немного прихватывая видимый диапазон вплоть до жёлтого цвета (0,6—28,5 мкм). «Спитцер» в основном работал в среднем (3,6—160 мкм), а вот «Гершель» — в дальнем инфракрасном диапазоне (55—672 мкм). Это определялось другой задачей. «Гершель» искал активные звездообразующие галактики, которые излучают большую часть своей энергии именно в этом диапазоне.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Криптобудущее Криптобудущее

Жизненный цикл цивилизаций и наступающая эпоха свободы

Популярная механика
В свете сверхновых В свете сверхновых

Присмотримся к влиянию звёзд на земную жизнь

Наука и жизнь
Против империи Против империи

Имам Шамиль — лидер, благодаря которому жил Северо-Кавказский имамат

Дилетант
Как избавиться от пробок в миндалинах в домашних условиях — безопасные методы Как избавиться от пробок в миндалинах в домашних условиях — безопасные методы

Как справиться с пробками в миндалинах?

Cosmopolitan
Камень на камень Камень на камень

Фантазия природы богата так, как человеку и не снилось

Вокруг света
Дефицит витамина D: чем это опасно и как привести показатель в норму Дефицит витамина D: чем это опасно и как привести показатель в норму

Чем грозит передозировка или дефицит витамина D?

Cosmopolitan
Диалектика времени Диалектика времени

Как размышления о времени способствовали развитию человеческой цивилизации

Вокруг света
10 первых моделей японских автомобилей 10 первых моделей японских автомобилей

Первые модели современных японских автопроизводителей

Популярная механика
О пользе интересной жизни О пользе интересной жизни

Чем интереснее мозгу жить, тем лучше он работает

Наука и жизнь
Почему римлянам так нравились кровавые игрища и соревнования? Почему римлянам так нравились кровавые игрища и соревнования?

Почему римский кровавый спорт был таким популярным?

Популярная механика
Банкноты-путеводители: по курсу евро Банкноты-путеводители: по курсу евро

Увидеть необычные достопримечательности можно, не тратя евро, а рассматривая их

Вокруг света
Украденное солнце и Божья стрела: во что верили славяне Украденное солнце и Божья стрела: во что верили славяне

Как на Руси вызывали дождь, кормили ветер и отпугивали нечистую силу от светила

Культура.РФ
Клятва Гиппократа. 9 мифов об отце медицины Клятва Гиппократа. 9 мифов об отце медицины

Поджигатель, правитель, автор основополагающего труда в истории медицины…

Вокруг света
Artik & Asti: первое интервью в новом составе Artik & Asti: первое интервью в новом составе

Артем Умрихин и Севиль Валиева рассказали о своем знакомстве

Cosmopolitan
В бешмете и черкеске В бешмете и черкеске

Некоторые элементы одежды горцев стали частью униформы русской армии

Дилетант
От боли в спине до недержания: чем опасна позвоночная грыжа От боли в спине до недержания: чем опасна позвоночная грыжа

Межпозвоночные грыжи: причины их возникновения, методы лечения и профилактики

Cosmopolitan
Неуловимый мститель Неуловимый мститель

Искусство поражать все цели от Джереми Реннера

Men’s Health
Раздать боком: почему дрифт нужно освоить каждому водителю Раздать боком: почему дрифт нужно освоить каждому водителю

Нужен ли дрифт обычным водителям?

Forbes
Кадровый резерв: растить нельзя искать на стороне Кадровый резерв: растить нельзя искать на стороне

Как формировать собственный кадровый резерв?

Inc.
Капитализм сбился с пути: почему нечистоплотные бизнесмены всегда терпят крах Капитализм сбился с пути: почему нечистоплотные бизнесмены всегда терпят крах

Отрывок из книги «Этичный капиталист» — почему отношение к сотрудникам так важно

Forbes
Вера Рубин: история первой женщины, открывшей темную материю Вера Рубин: история первой женщины, открывшей темную материю

Кто такая Вера Рубин и что она сделала для астрофизики?

Популярная механика
Зло слов: краткая история оскорблений и ругательств Зло слов: краткая история оскорблений и ругательств

Жить в страшно оскорбленном мире неинтересно, зато интересно, как это начиналось

Maxim
Стесняюсь спросить: несколько вопросов о неприятном запахе изо рта Стесняюсь спросить: несколько вопросов о неприятном запахе изо рта

С проблемой не очень свежего дыхания периодически сталкивается каждый

Esquire
Метавселенная девелоперов: здесь будет город-сад Метавселенная девелоперов: здесь будет город-сад

Разговоры о скором полном погружении человечества в виртуальные миры не стихают

Популярная механика
Бразилия, дорогая реклама и курсы от блогеров: каким стал рынок образования в 2021-м Бразилия, дорогая реклама и курсы от блогеров: каким стал рынок образования в 2021-м

О трендах, сложностях и будущем онлайн-образования в России

Forbes
Альбатросы нырнули на рекордные девятнадцать метров Альбатросы нырнули на рекордные девятнадцать метров

Насколько глубоко альбатросы способны погружаться под воду?

N+1
Как приготовить шарики воды во фритюре на своей кухне: кулинария с научным подходом Как приготовить шарики воды во фритюре на своей кухне: кулинария с научным подходом

Если вы любите кулинарные эксперименты, попробуйте приготовить шарики воды

Популярная механика
Стратегия Юсупова: почему русский князь был коллекционером искусства новой формации Стратегия Юсупова: почему русский князь был коллекционером искусства новой формации

Как покупали искусство 250 лет назад

Forbes
Эффект стереотипов: почему мы симпатизируем одному миллиардеру сильнее, чем группе богачей Эффект стереотипов: почему мы симпатизируем одному миллиардеру сильнее, чем группе богачей

Почему мы терпимо относимся к богатству отдельных людей?

VC.RU
5 ошибок основателя академии «Время в порядке» Анны Всехсвятской 5 ошибок основателя академии «Время в порядке» Анны Всехсвятской

О самых запомнившихся ошибках, стоивших времени, денег, отношений и нервов

Inc.
Открыть в приложении