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
Портфель богатых: как заработать на самых состоятельных людях в мире Портфель богатых: как заработать на самых состоятельных людях в мире

Давайте попробуем стать участниками успеха известных миллиардеров

Forbes
Советские солдаты возле убитого двойника Гитлера Советские солдаты возле убитого двойника Гитлера

В мае 1945 года по Берлину распространился слух, что обнаружен труп Гитлера

Дилетант
Джон Туртурро Джон Туртурро

Джон Туртурро — о гангстерах и блокбастерах

Maxim
О пользе интересной жизни О пользе интересной жизни

Чем интереснее мозгу жить, тем лучше он работает

Наука и жизнь
Как и когда лучше солить еду: скорее всего, вы делаете это неправильно Как и когда лучше солить еду: скорее всего, вы делаете это неправильно

Когда лучше солить еду: во время приготовления или после?

Популярная механика
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
Между мотоциклом и горным снегоходом: что такое сноубайк по-русски Между мотоциклом и горным снегоходом: что такое сноубайк по-русски

Сноубайк – новый вид техники, который с каждым сезоном увеличивает обороты

Популярная механика
Лагерная кружка Сергея Королёва Лагерная кружка Сергея Королёва

Обыкновенная, кое-как сделанная металлическая кружка с грубо приклёпанной ручкой

Дилетант
12 животных, которые гораздо больше, чем ты думаешь (сравнительная галерея) 12 животных, которые гораздо больше, чем ты думаешь (сравнительная галерея)

Мало кто представляет себе истинный размер животных в отношении к человеку

Maxim
На понятном языке На понятном языке

Как появился Kotlin, и правда ли, что он идеален для программирования

Популярная механика
Гуляем! Гуляем!

Почему нельзя резать блины ножом и другие традиции русской масленицы

Лиза
7 тезисов — как изучать историю в школе 7 тезисов — как изучать историю в школе

История как объект исследования и изучения

Дилетант
Миссия выполнима? Миссия выполнима?

Ян Гэ знает, как справляться со сложностями!

Glamour
Семь фото автомобилей столетней давности Семь фото автомобилей столетней давности

Автомобили из прошлого века

Maxim
Изобретая Анну Делви: зачем Netflix воспевает мошенницу, обманувшую весь Нью-Йорк Изобретая Анну Делви: зачем Netflix воспевает мошенницу, обманувшую весь Нью-Йорк

Зачем Netflix пытается сделать из преступницы героиню нового времени

Forbes
7 самых выдающихся трехколесных автомобилей 7 самых выдающихся трехколесных автомобилей

У машин с тремя колесами масса достоинств и только один недостаток

Maxim
Как избавиться от мышей Как избавиться от мышей

Что делать, если в квартире или в частном доме завелись мыши?

Cosmopolitan
«Сезон отравленных плодов»: отрывок из романа о травмах поколения и советском прошлом «Сезон отравленных плодов»: отрывок из романа о травмах поколения и советском прошлом

Отрывок из книги Веры Богдановой «Сезон отравленных плодов»

Forbes
Как выбрать спелое авокадо. Советы бренд-шефа Как выбрать спелое авокадо. Советы бренд-шефа

Вместе с шеф-поваром рассказываем, как купить правильное авокадо

РБК
5 сложных браков и 4 громких развода любимца Голливуда Кэри Гранта 5 сложных браков и 4 громких развода любимца Голливуда Кэри Гранта

В кадре Кэри Грант играл в любовь, а за кадром вел сложную личную жизнь

Cosmopolitan
Давай не сейчас Давай не сейчас

Если муж не хочет иметь детей

Лиза
Полезен даже при болезнях! 9 уникальных преимуществ кофе Полезен даже при болезнях! 9 уникальных преимуществ кофе

Кофе — напиток, который просто невозможно не любить

Cosmopolitan
Как власти Китая используют голливудские блокбастеры для пропаганды Как власти Китая используют голливудские блокбастеры для пропаганды

Зачем в Китае редактируют «Бойцовский клуб» и бесплатно показывают Бэтмэна

Forbes
Что встречается реже — золото или алмазы? И что из них дороже? Что встречается реже — золото или алмазы? И что из них дороже?

Бриллианты практически вечны, а золото драгоценно, но что встречается реже?

Популярная механика
Все оттенки серого: на что идут продавцы в борьбе за покупателей на маркетплейсах Все оттенки серого: на что идут продавцы в борьбе за покупателей на маркетплейсах

На маркетплейсах процветают самовыкупы, «грязное» SEO, воровство контента

Forbes
Как обычному человеку создать NFT и можно ли на нем заработать? Как обычному человеку создать NFT и можно ли на нем заработать?

Стоит ли человеку с улицы соваться в NFT-бизнес?

Maxim
Что такое «Другое» в памяти телефона, и почему оно занимает столько места Что такое «Другое» в памяти телефона, и почему оно занимает столько места

Как уменьшить размер категории «Другое» в памяти телефона?

CHIP
Дядино кино Дядино кино

«Камон Камон»: сентиментальное путешествие XXI века

Weekend
Как собрать майнинг ферму: пошаговая инструкция Как собрать майнинг ферму: пошаговая инструкция

Майнинг ферма: с этапа покупки комплектующих до их соединения друг с другом

CHIP
Открыть в приложении