25 декабря 2021 года в небо взмыла ракета-носитель Ariane 5 с легендарным космическим телескопом — JWST (James Webb Space Telescope). Его разработка заняла четверть века, а учёные ждут, что он станет «рогом изобилия», из которого посыпятся прорывные открытия в самых разных областях астрономии. Рассказываем, как устроена эта грандиозная обсерватория, как она будет работать и что нового астрономы узнают благодаря ей.
Идея создания нового телескопа возникла в 1996 году. Тогда его называли «Космический телескоп нового поколения», (Next Generation Space Telescope – NGST). В 2002 году телескоп был назван в честь бывшего руководителя NASA Джеймса Эдвина Уэбба (James Edwin Webb). Джеймс возглавлял все первые пилотируемые полёты в космос с 1961 по 1968 год, в том числе и по лунной программе Apollo.
Изначально запустить обсерваторию в космос планировалось в 2007 году, но из-за постоянных проблем дата сдвигалась. Бюджет тоже вышел за рамки планируемого. За 25 лет цена проекта с 500 миллионов долларов возросла до 10 миллиардов. К слову, когда телескоп только начинали разрабатывать, некоторых читателей этого текста ещё не было на этом свете. Более того, Google ещё не было, на компьютерах стояла Windows 95, в России только появился Рамблер, а человечество лишь начинало подозревать, что в центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра.
Поговорим о том, как устроен телескоп. Для изготовления каждого из зеркал использовался порошковый бериллий. Материал выбран потому, что он лёгкий и прочный. К примеру, диаметр главного зеркала телескопа Hubble составляет 2,5 метра, а весит оно 828 килограммов. Диаметр основного зеркала на телескопе James Webb составляет 6,5 метров, а масса — всего 705 килограммов. Порошок из бериллия помещали в контейнер из нержавеющей стали и затем прессовали в плоскую форму. Полученный прессованный кусок бериллия разрезался пополам, для двух заготовок зеркала, размером около 1,3 метра в поперечнике. Затем с обратной стороны заготовки вырезался лишний материал, пока не оставалась тонкая структура с рёбрами жёсткости. Для придания формы, которая будет близка к требуемой, поверхность стачивали и тщательно полировали. Наконец, с помощью лазерного интерферометра исследовали итоговое изделие, и после этого зеркало проходило окончательную полировку. После готовности сегмента его поверхность покрывали тонким слоем золота, толщиной всего 100 нанометров, которое лучше отражает инфракрасное излучение (длинноволновую часть оптического излучения тоже).
Пару слов о конструкции зеркала. Главное зеркало состоит из 18-ти отдельных шестиугольных сегментов. Шестиугольные они потому, что у такой формы выше коэффициент заполнения, и зеркало получится целиком без зазоров. Для доставки на орбиту было принято решение сделать конструкцию складной, поскольку огромные габариты обсерватории не позволили поместить полностью готовое зеркало под головной обтекатель. Крайние ряды сегментов (по три в каждом) сложены. Стоит отметить, что в системе развёртывания зеркал имеется 132 отдельных мотора и привода. В полной сборке — три области, которые будут иметь одинаковый угол после настройки приводами. В каждой области по шесть зеркал.
У телескопа есть тепловой щит размером с теннисный корт для защиты от излучения Солнца, Земли и Луны. Аппарат будет ориентирован на рабочей орбите таким образом, чтобы вся оптическая система и научные приборы всегда держались в тени этого щита.
Теплозащитный экран представляет из себя пять тончайших (с человеческий волос) слоёв каптона с нанесённым покрытием из алюминия. Каптон был выбран потому, что стабильно ведёт себя в широком диапазоне температур от −273 до +400 °C. Материал себя зарекомендовал в лунной программе Apollo. Он был использован в качестве теплоизоляции на лунном модуле.
Каждый слой будет холоднее предыдущего. По оценкам первый слой, который будет принимать всё излучение, нагреется до 110 градусов Цельсия, а последний и самый близкий к главному зеркалу — до −237 градусов Цельсия. Такая многослойная раздельная система была выбрана не случайно — слои будут теплоизолированы друг от друга вакуумом, что сильно увеличивает эффективность экрана. На первые два слоя каптона нанесено покрытие из кремния для отражения ультрафиолета от Солнца.
Чтобы развернуть теплозащитный экран, потребуется опорная конструкция, в которой есть специальные раздвижные стрелы. Сработав, они натянут пакет из каптоновых «простыней» — самого щита, по принципу воздушного змея.
А где же всякие приборы и «мозг» телескопа? Внутри служебной платформы! Там располагаются бортовые компьютеры, оборудование для связи и гироскопическая система стабилизации для ориентации в пространстве, которая будет удерживаться при помощи маховиков. В качестве источника энергии выбрана солнечная батарея длиной в шесть метров, расположенная на солнечной стороне под тепловым экраном. Кроме того, обсерватория оснащена несколькими малыми ракетными двигателями: SCAT, использующие гидразин (N2H4) и тетроксид диазота (N2O4), нужны для поддержания рабочей орбиты, а двигатели MRE-1, использующие только гидразин, нужны для управления ориентацией обсерваторией и разгрузки маховиков. В платформе также находится механизм разворота главного зеркала.
Научное оборудование телескопа состоит из четырех инструментов: NIRCam и NIRSpec, ведущие наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне и части оптического; MIRI, ведущий наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне, благодаря чему получил личную систему охлаждения с жидким гелием (рабочая температура прибора – 7 кельвинов!); FGS-NIRISS, который помимо камеры и спектрографа содержит ещё и датчик точного наведения на цель.
Телескоп будет наблюдать за планетами и малыми телами Солнечной системы, экзопланетами и протопланетными дисками, галактиками и квазарами. Инфракрасный диапазон для работы телескопа выбран, чтобы лучше улавливать излучение от очень далёких и древних галактик — всему виной красное смещение и сильная запылённость первых галактик. Таким образом астрономы попытаются понять, когда появились первые галактики и как выглядела молодая Вселенная. Телескоп будет искать свет первых звёзд и галактик, которые сформировались от 400 тысяч до 400 миллионов лет после Большого взрыва. Этот период называется эпохой Реионизации.
Кроме этого, аппарат займётся наблюдениями за звёздными системами в ближайших галактиках и изучит молодые звёзды и протопланетные диски вокруг них в Млечном Пути. Экзопланетные системы — ещё один вектор наблюдений, обсерватория сможет увидеть напрямую крупные и горячие экзогиганты и исследует свойства относительно холодных экзопланет, температура которых близка земной.
Отдельное направление исследований телескопа — наша Солнечная система. К примеру наблюдения за спутником Юпитера Европой и спутником Сатурна Энцеладом. В список целей также попадают карликовые планеты, такие как Церера, а ещё астероиды, транснептуновые объекты и несколько комет, а также Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
Пуск состоялся 25 декабря 2021 года в 15:21 по Москве. Ракета-носитель Ariane 5 компании Arianespace с космическим телескопом на борту успешно стартовала с космодрома Куру во Французской Гвиане. Аппарат за четыре недели должен выйти на гало-орбиту вокруг второй точки Лагранжа системы Земля-Солнце, в 1,5 миллионах километров от Земли. В случае успеха первые научные исследования стартуют в начале 2022 года. Срок основной работы телескопа составляет не менее пяти лет с возможностью продления до 10 лет. Именно на столько хватит топлива для поддержания орбиты вокруг второй точки Лагранжа. При этом, в отличие от телескопа Hubble, новый телескоп не предназначен для обслуживания и модернизации руками астронавтов и полёты к нему не планируются.
Автор: Ельцов Павел / Открытый космос
