После долгих лет задержек и разочарований космический телескоп Джеймса Уэбба готов к запуску.
Когда-то этой осенью, если дата запуска снова не сдвинется, космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба - самый мощный, дорогой и долгожданный телескоп, когда-либо наблюдавший за Вселенной - стартует с Французская Гвиана на ракете Ariane 5. Двадцать шесть лет в разработке, бесчисленное количество раз отложенных, JWST, как обычно называют его астрономы, превзойдет космический телескоп Хаббла по размеру, разрешению и способности видеть очень слабые объекты. В отличие от Хаббла, который работает в основном в видимом спектре, Уэбб будет использовать камеры и спектрографы, настроенные на ближний и средний инфракрасный диапазон, чтобы увидеть некоторые из самых старых объектов в космосе с чувствительностью в 1000 раз лучше, чем у инфракрасных космических телескопов прошлого.. Блестящие покрытые золотом зеркала Уэбба будут собирать фотоны, которые летят к нам через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва.
Является ли JWST замечательным? Бесспорно. Это необходимо? Космические ученые сказали бы да. Уэбб раскроет тайны нашего космического происхождения, которые находятся за пределами возможностей 31-летнего Хаббла или любой другой обсерватории в космосе или на земле. Новый телескоп имеет совершенно новую конструкцию. Чтобы предотвратить попадание теплого солнечного света на сверххолодные инфракрасные детекторы, Webb имеет солнцезащитный козырек размером с теннисный корт, состоящий из пяти слоев каптоновой пленки, каждый из которых не толще полиэтиленового пакета. Наряду с другими типами брони щит также поможет защитить от ударов метеоритов. Гигантское главное зеркало телескопа диаметром 6,5 метра (у Хаббла было всего 2,4 метра) представляет собой мозаику из 18 плотно прилегающих шестиугольных сегментов, и все это приходится складывать, как листья обеденного стола, чтобы поместиться внутри Ariane. носовой обтекатель ракеты для запуска.
Во время почти месячного путешествия, чтобы добраться до своего дома в космосе, телескоп развернет и развернет свои многочисленные части в невероятно сложной последовательности. Распаковав и выдвинув солнечные батареи, антенны, штанги, радиаторы, зеркала и сам солнцезащитный козырек (который раскрывается как многослойный зонтик), телескоп остынет до температуры около минус 400 градусов по Фаренгейту, все время оставаясь лицом к солнцу, луне. и Земля, чтобы сохранить чувствительность к инфракрасному излучению.
Его конечный пункт назначения - устойчивая орбита вокруг точки Лагранжа 2, или L2, в миллионе миль от Земли - точки равновесия, которая уравновешивает гравитационные силы Солнца, Земли и Луны, так что телескопу нужно минимальное топливо для коррекции орбиты. В отличие от Хаббла, JWST не предназначен для модернизации. Хаббл был спасен от позора в 1993 году ремонтной бригадой астронавтов, исправившей деформированное зеркало, с которым телескоп был запущен тремя годами ранее. Такого спасения не будет, если с Уэббом что-то пойдет не так; обсерватория должна работать безупречно. Убедиться, что это будет стоить НАСА много времени, денег и стресса, поскольку инженеры тестируют, повторно тестируют и пытаются создать достаточную избыточность - «две всего» - чтобы гарантировать отсутствие ошибок..
«Это самая сложная обсерватория и космический корабль из когда-либо созданных», - сказал Клаус Понтоппидан, астрохимик и научный сотрудник JWST в Научном институте космического телескопа в Балтиморе. Как и в случае с Хабблом, институт действует как мозговой центр телескопа, производя программное обеспечение для наземных систем управления, координируя первоначальное развертывание обсерватории, планируя научные наблюдения для астрономов всего мира, а также получая и архивируя все данные Уэбба. «Я доверяю людям, занимающимся развертыванием, и оборудованию, - сказал он, - и думаю, что все будет хорошо».
Джон Мазер, старший астрофизик и научный сотрудник проекта Уэбба в расположенном неподалеку Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, начал работу над проектом, который тогда назывался «Космический телескоп нового поколения», в 1995 году. (Позже название было изменено на чтите администратора, который руководил НАСА во время высадки на Луну Аполлона в 1960-х годах. После того, как в мае прошлого года была распространена петиция, обвиняющая Уэбба в причастности к чистке государственных служащих ЛГБТК в 1950-х годах, имя может снова измениться.) Когда он начал работать над Уэббом, Мазер был только что закончил свою ключевую роль в проекте Cosmic Background Explorer (COBE), который точно измерил первичное свечение Вселенной и принес Мазеру Нобелевскую премию по физике в 2006 году.
«COBE был завершен, и мне позвонили из НАСА по поводу этого телескопа следующего поколения», - вспоминал он. «Хотел ли я быть главным ученым? Конечно!» Но я не понимал, что это займет вечность.
Как рассказывает Мазер, Алан Дресслер, старший астроном Обсерватории Карнеги, изучающий галактическую эволюцию, помог убедить тогдашнего администратора НАСА Дэна Голдина в том, что в космосе необходим очень большой инфракрасный телескоп, способный вернуться во времени примерно на 13 миллиардов лет, чтобы обнаружить самые ранние звезды и галактики. Ученые считают, что в эту эпоху, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, облака нейтрального газа сконденсировались, образовав первые светящиеся объекты. Из-за расширения Вселенной свет от этих ранних звезд и галактик сместился из его первоначальных более коротких длин волн в инфракрасный. К сожалению, Хаббл не может заглянуть достаточно далеко в эту область спектра. Космический телескоп НАСА «Спитцер» (2003-2020 гг.) мог, но с зеркалом менее метра в диаметре не имел возможности видеть очень удаленные объекты.
«В частности, с Хабблом мы надеялись увидеть рождение галактик, но мы не можем», - объяснил Мазер. «Эти объекты слишком далеки и слишком слабы. Их свет сильнее смещен в красную сторону, чем может принять Хаббл. Таким образом, [JWST] поможет нам понять, как первая гладкая вселенная [развила] семена, которые вырастут в объекты, галактики и черные дыры». Мазер надеется, что острота JWST также «расскажет нам о гравитационных волнах в этом раннем материале. Были гравитационные волны или нет, это сильно меняет наше понимание фундаментальной физики».
Бюджетные и технические проблемы
Когда Мазер подписал контракт с космическим телескопом следующего поколения, он пригласил коллегу-астрофизика Годдарда Эрика Смита, имевшего опыт работы в космической астрономии, для совместной работы над научными требованиями телескопа и ранним проектированием. Эти двое приступили к работе с техническими комитетами, инженерными группами и аэрокосмическими подрядчиками, чтобы создать концепции и чертежи для новой космической обсерватории.
С самого начала масштабы проекта были недооценены, а бюджет на его выполнение был катастрофически недофинансирован. Первоначальная оценка в 1996 году для телескопа меньшего размера составляла от 1 до 3,5 миллиардов долларов с предполагаемой датой запуска уже в 2007 году. Сегодняшняя цена превышает 9,3 миллиарда долларов.
Перерасход не стал полной неожиданностью. «Дэн Голдин был большим энтузиастом в том, чтобы делать вещи дешевле, - вспоминал Мазер. «Реакцией на первых встречах был смех: «Хорошо, босс, мы попробуем». Но вы не могли сделать [этот телескоп] за тот бюджет, который он просил».
Смит, который сейчас является научным сотрудником Уэбба в штаб-квартире НАСА (он также занимал эту должность в Хаббле), сказал, что структура и размер телескопа постоянно менялись вместе со сложностью наземного оборудования. и испытательные системы, необходимые для обеспечения безупречной работы в космосе. Например, новые процессорные чипы должны были быть разработаны для удовлетворения очень жестких требований к производительности с низким уровнем шума. Немагнитный бериллий был выбран в качестве подложки зеркала вместо кварцевого стекла, используемого в Хаббле, благодаря его легкому весу, жесткости, высокой электропроводности и способности сохранять свою форму в диапазоне экстремальных температур. Чтобы увеличить их отражательную способность, зеркала пришлось покрыть слоем золота толщиной всего 120 нанометров, нанесенным методом вакуумного напыления.
Такое нововведение стоит денег. «Многие астрономические миссии полагались на военных и космических агентств [из-за их технического наследия]», - сказал Смит. «Но мы [НАСА] полностью оплачиваем большую часть этого», хотя Европа и Канада, как партнеры, предоставили деньги, персонал и научные инструменты, наряду с запуском ракеты «Ариан».
Нарастали политические и бюджетные проблемы проекта. Даже после того, как в 2008 году началось основное строительство телескопа и в 2010 году он прошел критическую проверку конструкции с отличными техническими оценками, перерасход средств побудил Конгресс потребовать проведения независимой проверки. Год спустя комитет по ассигнованиям Палаты представителей даже попытался отменить проект, сократив общий бюджет НАСА на 1,9 миллиарда долларов. Но к ноябрю 2011 года критики отступили, отчасти потому, что JWST получило сильную поддержку со стороны Американского астрономического общества, а влиятельный сенатор Барбара Микульски вступила в бой за дорогостоящий проект, базирующийся в ее родном штате Мэриленд. Затем Конгресс ограничил бюджет телескопа 8 миллиардами долларов. Эта сумма была значительно превышена.
Смит предлагает объяснение. «Мы никогда раньше не строили ничего подобного», - сказал он. «[Первоначальный] проект был недооценен, и позже мы поняли, насколько технически сложным он будет. Во-первых, зеркало телескопа, необходимое для получения требуемой чувствительности, превышало бы размер любого обтекателя ракеты, самой верхней части, заключающей в себе космический корабль. Поэтому зеркало пришлось сегментировать и сложить внутрь носового обтекателя.
«Мы также знали, что нам нужен развертываемый телескоп, - сказал Смит, - такой, который развернется в сложной последовательности операций и займет свое место на расстоянии в миллион миль, а не на околоземной орбите, как Хаббл. А из-за желания обнаружить очень слабое инфракрасное излучение, исходящее из самых дальних уголков Вселенной, сама обсерватория должна излучать как можно меньше тепловой энергии. «Нам пришлось бы охлаждать его и поддерживать в прохладе, а это приводит к солнцезащитному козырьку и трубке, которая блокирует [рассеянный] свет», - сказал Смит. «Но у трубы есть масса, и вы хотите свести к минимуму количество массы, которую вы запускаете. [Итак] мы знали, что если нам придется разместить этот телескоп далеко от Земли, которая является большим источником инфракрасного света (наряду с солнцем и собственной электроникой обсерватории), вам понадобится зонтик - односторонний щит. лицом к солнцу, земле и луне. Зеркала живут на холодной стороне».
NASA нуждалась в новом наземном оборудовании, чтобы проверить все это сложное развертывание. И попытка имитировать динамику невесомости этого единственного в своем роде космического корабля в условиях нормальной гравитации была большой работой сама по себе, особенно когда дело дошло до тестирования пятислойного солнцезащитного экрана, который должен быть тщательно «натянут» и затягивается в пространстве после того, как разворачивается. В 2018 году, к большому смущению НАСА, крышка солнцезащитного козырька потеряла часть своих винтов и шайб во время вибрационных и акустических испытаний. Это вызвало еще одну задержку, пока независимая наблюдательная комиссия рассмотрела этот и другие технические вопросы.
Надежды и страхи
На пике своего развития на Уэббе работало до 2 000 ученых и техников, а в общей сложности около 10 000 человек участвовали в его строительстве на протяжении десятилетий. Northrop Grumman является генеральным подрядчиком телескопа, купив TRW, первоначальный победитель контракта, в 2002 году. Помимо космического корабля, зеркал (основного и вторичного) и солнцезащитного козырька, необходимо было спроектировать и построить четыре прибора для анализа света, собираемого зеркалом.. Спектроскопия так же важна, как и визуализация, поскольку она разбивает входящий свет на дискретные длины волн, которые могут выявить химический состав, движение и другие физические свойства объекта-источника..
Университет Аризоны предоставляет камеру ближнего инфракрасного диапазона, или NIRCam. Европейское космическое агентство (ESA) в сотрудничестве с Лабораторией реактивного движения (JPL) поставило прибор Mid-Infrared Instrument (MIRI), комбинацию камеры и спектрографа, который видит еще дальше в инфракрасном диапазоне.
ESA также создало NIRSpec, сокращение от Near-Infrared Spectrometer, который особенно подходит для изучения далеких галактик и может анализировать свет от более чем 100 источников одновременно. «Впервые это было сделано в космосе», - сказала Нора Люцгендорф, научный сотрудник NIRSpec. Эта уникальная возможность исходит от нового массива микрозатворов, ячейки которого (в среднем шириной с человеческий волос) имеют крошечные крышки, которые открываются и закрываются по отдельности при приложении магнитного поля, что позволяет прибору выборочно просматривать или блокировать цели в поле зрения.
Последний прибор под названием FGS-NIRISS, сокращенно от Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, созданный Канадским космическим агентством, представляет собой спектрограф «большого космоса», который может измерять спектральные цвета. всех небесных объектов в его поле зрения одновременно. Часть инструмента FGS помогает Уэббу с высокой точностью захватывать цели. «Вероятно, это лучший датчик наведения из когда-либо созданных», - сказал Рене Дойон, профессор физики Университета Монреаля и главный исследователь NIRISS.
«NIRISS и NIRSpec дополняют друг друга», - объяснил Дойон. «В то время как NIRSpec может выбирать отдельные объекты… для NIRISS нет щелей, и, следовательно, мы можем снимать спектры для нескольких тысяч источников в поле, но за счет более низкой чувствительности». NIRISS оптимизирован для измерения спектров относительно ярких звезд, а также массивных скоплений галактик и галактик с малой массой, чей свет искажается (явление, известное как гравитационное линзирование) другими массивными объектами, находящимися на линии прямой видимости между ними и телескопом.
По мере приближения дня запуска астрономы во всем мире нервничают так же, как и взволнованы. Томас Зурбухен, возглавляющий научный отдел НАСА, выразил их коллективное беспокойство, когда недавно написал, что полет на ракете сам по себе будет даже не худшей частью: «После запуска необходимо произвести около 50 развертываний, чтобы настроить огромную систему. С 344 так называемыми одноточечными сбоями - отдельными шагами, которые должны работать, чтобы миссия увенчалась успехом - это развертывание после запуска будет держать нас в напряжении в течение трех недель или около того. Для сравнения, это в три раза превышает единичные отказы при посадке на Марс, а эта посадка длилась всего семь минут… Те, кого это не волнует и даже не пугает, не понимают, что мы пытаемся сделать».
Первые шесть месяцев после запуска посвящены вводу обсерватории в эксплуатацию, чтобы убедиться, что космический корабль и инструменты работают, как задумано. Еще пять месяцев или около того будут посвящены научным наблюдениям за ранним выпуском. Избранные астрономы будут тренировать телескоп на широком спектре целей, от далеких галактик до планет в нашей собственной солнечной системе, чтобы получить опыт работы с этим новым инструментом и поделиться этими знаниями с остальным астрономическим сообществом - что-то вроде ВВС США. летчики-испытатели отжимают новый истребитель перед его отправкой в летные эскадрильи.
Другими ранними пользователями будут так называемые «наблюдатели гарантированного времени», люди, которые потратили годы своей жизни на планирование и строительство этого нового телескопа и поэтому получат возможность первыми использовать его без необходимости соревнуйтесь в соблюдении времени. JWST был разработан в первую очередь для космологии дальнего космоса, но любой телескоп такого калибра может делать всего понемногу, и он будет задействован практически во всех видах астрономических наблюдений - когда и где потребуются его уникальная чувствительность и мощность. (См. ниже образцы этих исследований гарантированного времени.)
Пояс Койпера
Джонатан Лунин, Корнельский университет
Научные интересы Джонатана Лунина настолько обширны - он изучал все, от Марса до протопланетных дисков, - что он без труда придумывал, как использовать отведенное ему время в качестве междисциплинарного ученого JWST. Один из его проектов будет посвящен малым телам на краю нашей Солнечной системы, в частности, объектам пояса Койпера Квавару и Хаумеа, а также нескольким гибридам астероидов и комет, называемым Кентаврами, которые мигрировали из внешних пределов.
Считается, что это остатки формирования Солнечной системы, и Лунина больше всего интересуют различия в составе не только между этими первобытными объектами, но и внутри них. Знание того, какие виды льда, такие как метан и окись углерода, они содержат и в какой пропорции, помогает ученым понять их эволюцию. Инфракрасный прибор Уэбба будет получать спектральные данные для разных долгот на поверхности Хаумеа по мере его вращения.
Даже с разрешением Уэбба на снимках таких маленьких удаленных тел не будут видны реальные детали. «Люди не должны ожидать изображений, - говорит Лунин, - но они должны ожидать, что узнают, из чего сделаны эти вещи».
-Тони Райххардт
Экзопланеты
Николь Льюис, Корнельский университет
В 2018 году, когда она еще работала в Научном институте космического телескопа, Николь Льюис была одним из руководителей группы, которая использовала Хаббл для изучения планетарной системы TRAPPIST-1, находящейся на расстоянии 40 световых лет.
Теперь Льюис вернулся с еще более мощным телескопом, чтобы посмотреть на TRAPPIST-1e, один из трех каменистых миров в этой соседней системе, которые могут быть обитаемыми. Хаббл показал, что ни у одного из трех нет такой обширной водородной атмосферы, как у Нептуна. Это хорошо. Это означает, что TRAPPIST-1e может быть больше похож на Землю, которая примерно соответствует размеру. Телескоп Уэбба может заглянуть глубже в поисках других газов в атмосфере, которые могут указывать на присутствие жизни.
Первая цель - убедиться, что у планеты вообще есть атмосфера, что, по словам Льюиса, «все еще не ясно». Затем она «рассмотрит относительное содержание таких веществ, как углекислый газ, вода и метан в атмосфере, чтобы увидеть, не намекает ли их соотношение на обитаемую планету».
До переезда в Корнелл Льюис был научным сотрудником проекта JWST. Учитывая недавний всплеск интереса к экзопланетам, она считает счастливым событием то, что телескоп, изначально разработанный для космологии, оказался таким полезным для изучения других солнечных систем. Двадцать пять процентов времени наблюдений Уэбба будет посвящено экзопланетам.
-Тони Райххардт
Черные дыры
Роланд ван дер Марел, Научный институт космического телескопа
Центр галактики Млечный Путь можно считать средним расстоянием для видения JWST - всего 26 000 световых лет от нас по сравнению с миллиардами световых лет от нас. Астрономам давно известно, что в центре находится черная дыра приличного размера, поглощающая всю массу вокруг себя.
Проблема в том, что пыль закрывает все, кроме нескольких ярких звезд вблизи этой опасной зоны. Острое инфракрасное зрение Уэбба может проникать сквозь пыль и видеть гораздо более тусклые звезды, добавляя к числу объектов, которые помогают астрономам понять динамику такой экстремальной среды. Изображения, сделанные за несколько лет, могут обнаружить движение звезд, попавших в водоворот, а телескоп может также увидеть растянувшиеся облака газа, остатки звезд, разорванных гравитацией.
Роланд ван дер Марел уже работает над следующей крупной космической обсерваторией НАСА после Уэбба, называемой римским космическим телескопом Нэнси Грейс, который должен быть запущен в середине 2020-х годов.. Во-первых, он потратит часть гарантированного времени своей команды на изучение вселенной во всей ее жестокости.
-Тони Райххардт
Ранние галактики
Марсия Рике, Аризонский университет
Семья Марсии Рике может быть уникальной во всей вселенной. Она главный исследователь прибора NIRCam Уэбба. Ее муж Джордж, также астроном из Аризонского университета, является руководителем научной группы США в MIRI. Вместе они несут ответственность за половину набора инструментов на главном телескопе мира.
В исследовании ранних галактик, основной работе JWST, будут участвовать десятки ученых. Колоссальные 800 часов наблюдения зарезервированы для расширенного глубокого внегалактического исследования JWST (JADES), одним из руководителей которого является Марсия Рике. Уэбб сделает длительные выдержки участка неба, известного как GOODS-S (от Юга), который уже интенсивно изучался самыми мощными астрономическими телескопами в диапазоне от радио до рентгеновских лучей.
Что мог видеть Уэбб, чего не видели другие? «Форма [этих первых галактик] - один из самых больших вопросов, - говорит Рике. «Если исходить из того, что думают теоретики, мы должны увидеть набор относительно небольших неправильных форм. И затем, когда мы будем смотреть на все более и более низкие красные смещения [постепенно позже во времени], мы увидим, как эти маленькие капли соединяются вместе под действием гравитации, образуя все более и более правильные формы». Это будет похоже на то, как вы смотрите, как растет маленькая вселенная в замедленной съемке.
Сколько времени потребуется ученым, чтобы собрать воедино данные? Рике говорит: «Я надеюсь, что через три-шесть месяцев мы сможем дать интересную пресс-конференцию хотя бы с предварительными результатами».
-Тони Райххардт
Наконец, астрономы всего мира могут подать заявку на получение драгоценного времени с помощью Webb в годовых циклах, когда их предложения проходят экспертную оценку, а победители получают время для наблюдений. Для «Цикла 1», как называются первые проекты, было одобрено 6 000 часов этих общественных наблюдений для изучения всего, от активных ядер галактик и сверхмассивных черных дыр до звездных популяций, планетарных дисков, экзопланет и крупных планет. Масштабная структура Вселенной.
Проект под названием COSMOS-WEBB является крупнейшей из этих программ общих наблюдений, выбранных для первого года работы телескопа. JWST сосредоточится на небесном экваторе, сказал Джейхан Карталтепе, астроном из Рочестерского технологического института, который возглавляет группу из 50 ученых. «Мы создадим физическую карту самых ранних галактик с самыми высокими красными смещениями», - сказала она. «С Хабблом мы могли бы изучать галактики… до z~6 [мера красного смещения] и не очень подробно. С JWST мы можем пройти весь путь до z~10 с улучшенным разрешением при всех красных смещениях».
Кейтлин Кейси, соавтор проекта COSMOS-WEBB и астроном из Техасского университета в Остине, сказала, что ожидает увидеть галактики, возраст которых составляет от 300 до 400 миллионов лет после Большого взрыва: «Это малая часть возраста Вселенной и намного больше того, что мог сделать Хаббл. Вся предпосылка… заключается в том, что мы собираемся не просто найти галактики, но [обнаружить]… насколько они локализованы или сгруппированы.”
Для Джона Мэзера, лауреата Нобелевской премии, который работал над этим проектом еще до того, как Карталтепе и Кейси пошли в среднюю школу, день запуска давно настал. «Я очень рад видеть, что идея, написанная комитетом Дресслера в небольшой книге, теперь стала реальностью», - говорит он. «Мощь потрясающая. Я чувствую себя привилегированным, что люди действительно могут заставить это летное оборудование работать».
Что касается того, что JWST может рассказать нам о Вселенной: «Я надеюсь найти что-то такое, чего никто на самом деле не мог вообразить», - говорит Мазер. «У природы есть свои хитрости… и я думаю, мы их еще увидим».