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

Город бомбы Город бомбы

Из истории американского атомограда

Вокруг света
То ли девочка, то ли виденье: жутковатая «ожившая кукла» из Японии То ли девочка, то ли виденье: жутковатая «ожившая кукла» из Японии

Лулу — наполовину человек, на другую половину — кукла

VOICE
Сумасшедший Назимов Сумасшедший Назимов

Три произведения, которым удалось вернуть правильные имена лишь спустя много лет

Дилетант
Личный опыт: как человеку из академической среды стать предпринимателем Личный опыт: как человеку из академической среды стать предпринимателем

Как проделать путь из науки в предпринимательство?

Inc.
Когда железо серебра дороже Когда железо серебра дороже

Поиски железорудных месторождений в краю серебряных гор

Наука и жизнь
#инструктаж: как выгодно продать фамильные драгоценности #инструктаж: как выгодно продать фамильные драгоценности

Как оценить вещь и продать ее с максимальной выгодой

РБК
О пользе интересной жизни О пользе интересной жизни

Чем интереснее мозгу жить, тем лучше он работает

Наука и жизнь
Переносной атомный гравиметр увидел в городе подземный тоннель Переносной атомный гравиметр увидел в городе подземный тоннель

В будущем он атомный гравиметр может помочь геологам, почвоведам и археологам

N+1
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
Лечение вросшего ногтя в домашних условиях — 10 эффективных методов Лечение вросшего ногтя в домашних условиях — 10 эффективных методов

Почему врастает ноготь и что с этим делать?

Cosmopolitan
Маленькая и победоносная Маленькая и победоносная

Война между Францией и Пруссией стала триумфом Бисмарка

Дилетант
Ешь на здоровье: 8 доказанных полезных свойств фиников Ешь на здоровье: 8 доказанных полезных свойств фиников

Финики обладают уникальными качествами, делающими их полезными для здоровья

Cosmopolitan
В начале «тропы Батыевой» В начале «тропы Батыевой»

Подробности Батыева нашествия до сих пор вызывают полемику

Дилетант
Как избавиться от постакне: все способы — от домашних до профессиональных Как избавиться от постакне: все способы — от домашних до профессиональных

Как избавиться от следов акне?

Cosmopolitan
Где взять водород? Где взять водород?

Водород давно и широко используется в химической и пищевой промышленности

Наука и жизнь
В яркой оправе В яркой оправе

У 100‑летней Айрис Апфель есть чему поучиться молодым

Vogue
Грачи не прилетели Грачи не прилетели

За полтора века изменилась не только среда обитания грачей, но и сами грачи

Наука
Что такое гидрокомпенсаторы и почему они стучат Что такое гидрокомпенсаторы и почему они стучат

Что такое гидрокомпенсаторы, как они работают и что делать, если они стучат

РБК
Мы с тобой одной мысли: как формируется привязанность между матерью и ребенком Мы с тобой одной мысли: как формируется привязанность между матерью и ребенком

Отрывок из книги «В поиске материнской любви» Келли Мак-Дэниела

Forbes
Источники белка для веганов и вегетарианцев Источники белка для веганов и вегетарианцев

В каких растительных продуктах содержится больше всего белка?

Cosmopolitan
5 книг, в которых модели и актеры рассказывают о себе 5 книг, в которых модели и актеры рассказывают о себе

На что могут вдохновить книги от моделей и актеров?

РБК
Курс кройки Курс кройки

Волшебный эффект обещает резекция желудка. Как все обстоит на самом деле?

Tatler
10 необычных лайфхаков для автовладельцев, которые пригодятся зимой 10 необычных лайфхаков для автовладельцев, которые пригодятся зимой

Лайфхаки, которые помогут скрасить ваши автолюбительские будни

Популярная механика
Дюшан в душу Дюшан в душу

«Я тоже так могу» и другие приметы, которые выдают в любителе искусства простака

GQ
6 полезных свойств боярышника 6 полезных свойств боярышника

Какую пользу боярышник может принести организму

РБК
Физики обнаружили притяжение между биомолекулами на расстоянии ста нанометров Физики обнаружили притяжение между биомолекулами на расстоянии ста нанометров

Исследование биомолекул может лучше объяснить то, как функционируют клетки

N+1
Не стесняюсь спросить: симптомы простатита и вопросы урологу о самом главном Не стесняюсь спросить: симптомы простатита и вопросы урологу о самом главном

Уролог – главный специалист для любого, желающего оставаться в хорошей форме

Playboy
Как выглядят самые жуткие глубоководные существа: подборка фото ужасающих жителей подводного мира Как выглядят самые жуткие глубоководные существа: подборка фото ужасающих жителей подводного мира

Под водой скрывается множество странных жутких существ

ТехИнсайдер
20-килограммовые камни из гранита, тефлоновые подошвы и специальный лед. Что нужно знать о керлинге 20-килограммовые камни из гранита, тефлоновые подошвы и специальный лед. Что нужно знать о керлинге

Керлинг — по каким правилам играть и что для этого нужно

СНОБ
Правильный татуаж бровей: все, что тебе нужно знать о микроблейдинге Правильный татуаж бровей: все, что тебе нужно знать о микроблейдинге

Татуаж бровей может быть абсолютно естественным!

VOICE
Открыть в приложении