25 декабря NASA запустит самый мощный космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST). Его разрабатывали 25 лет для замены Хаббла, который с 1990 года находится на орбите Земли.
Запуск нового телескопа станет самым важным событием среди астрономов за последние десятилетия. Ожидается, что JWST поможет узнать историю Вселенной, раскроет тайны черных дыр, темной материи и, возможно, внеземной жизни.
Телескоп запустят в сложенном в виде, после чего он будет самостоятельно собираться в космосе. Если все пройдет удачно, ученые со всего мира получат невероятно мощный инструмент для изучения Вселенной.
JWST самый большой телескоп за всю историю человечества
Сравнение зеркал Уэбба Хаббла.
Телескоп JWST оснащен зеркалом диаметром более 6,5 метров. Для сравнения, зеркало Хаббла имеет диаметр 2,4 метра.
Зеркало является главным элементом телескопа. Благодаря ему прибор улавливает фотоны света в космосе и обнаруживает различные объекты.
Зеркало телескопа можно представить как легкое ведро. Чем больше зеркало, или чем больше ведро, тем больше материала вы собираете. И, конечно, в данном случае это фотоны света из далекой Вселенной.
Эмбер Страун, заместитель научного руководителя проекта JWST
Чтобы собрать это зеркало, инженерам JWST пришлось разделить его на 18 шестиугольных сегментов. Все они сделаны из бериллия. Этот металл в шесть раз прочнее стали и в три раза легче алюминия.
Уэбб в сложенном виде.
После запуска JWST все 18 сегментов должны идеально выровняться. В некоторых случаях панели будут двигаться с расстоянием примерно 1/10000 диаметра человеческого волоса.
Каждое зеркало должно соединиться друг с другом, чтобы создать единое зеркало без стыков.
Зеркало покрыто тонким слоем золота. Оно позволяет JWST видеть объекты в инфракрасном диапазоне и имеет повышенный коэффициент отражения.
Одно зеркало телескопа, покрытое золотом компании Quantum Coating Incorporated.
Золотые зеркала позволяют JWST видеть инфракрасный свет галактик, которые находятся на расстоянии 13,6 млрд световых лет от Земли.
И это то, что делает телескоп окном в прошлое. Поскольку возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд лет, то объекты на расстоянии 13,6 млрд световых лет появились через 100-200 млн лет после Большого взрыва. Изучив их, ученые смогут узнать недостающие факты из истории Вселенной.
Однако проводить наблюдения в инфракрасном диапазоне невероятно сложно. Точность измерений с использованием инфракрасного света напрямую зависит от тепла.
JWST не может располагаться на орбите нашей планеты или где-нибудь на Земле. Тепло Земли и её атмосферы нарушило бы наблюдения. Сам телескоп тоже должен быть холодным и не выделять слишком много тепла.
Поэтому JWST отправится на орбиту, расположенную в 1,5 млн км от Земли. Он будет находиться в точке Лагранжа L2.
Но даже на таком большом расстоянии, тепло от Солнца все еще остается проблемой для JWST. Чтобы его избежать, инженеры оснастили Уэбб солнцезащитной мембраной, состоящей из пяти ультратонких слоев Каптона, каждый размером с теннисный корт.
Солнцезащитная мембрана на испытательном стенде.
Слои укладываются друг на друга. Внешний слой всегда будет обращен к солнцу, чтобы отражать большую часть тепла, работая при температуре 110 °C.
Каждый последующий слой будет все холоднее и холоднее, чтобы инструменты JWST оставались красивыми и криогенными, работая при температуре около -223 °C.
Разработка JWST велась 25 лет, сопровождаясь многочисленными проблемами и скандалами
Натуральная модель Уэбба в 2005 году.
В 1996 году астрономы из Института исследований космоса с помощью космического телескопа рекомендовали NASA построить новый инфракрасный космический телескоп с зеркалом шириной 4 метра.
Но руководитель NASA Дэн Голдин решил, что 4 метра недостаточно, и призвал разработчиков миссии увеличить диаметр до 8 метров.
Это решение сильно усложнило постройку космического корабля, который должен запустить телескоп. На тот момент (и сейчас) ни одна ракета в мире не была настолько большой, чтобы запустить телескоп в разложенном виде.
Подготовка Уэбба к гравитационным испытаниям.
Другая проблема заключалась в том, что все технологии и механизмы, необходимые для точного выравнивания зеркал не существовали. Их пришлось изобретать с нуля.
Следующим камнем преткновения стало то, что это намного дороже, чем мы думали.
Томас Зурбухен, помощник администратора Управления научных миссий NASA
Первоначально JWST планировали запустить в 2007-2011 гг. Ориентировочная стоимость телескопа на тот момент составляла $1-3,5 млрд.
Установка зеркал.
Но на протяжении десятилетий затраты на JWST росли, а дата запуска постоянно откладывалась. В итоге сенаторы США предложили отменить проект из-за стремительного роста бюджета, но коллеги их не поддержали.
В 2011 году NASA полностью перепланировало миссию, а Конгресс согласился продолжить финансирование проекта, установив бюджетный лимит на общий срок службы телескопа в размере $8,8 млрд. Новую дату запуска назначили на 2018 год.
Однако затраты продолжали расти, а разработка остановилась. Когда инженеры начали собирать телескоп по частям и тестировать его, чтобы подготовиться к запуску в космос, возникло множество проблем.
Когда телескоп находился у главного подрядчика Northrop Grumman, винты и шайбы в один момент отвалились от аппарата. Инженеры обнаружили разрывы на солнцезащитном щите, поскольку кто-то подал чрезмерное напряжение во время испытаний, и это не самые серьезные проблемы.
В 2018 году NASA установило окончательную стоимость программы: $9,7 млрд на разработку и эксплуатацию JWST в космосе. Также агентство в очередной раз отложило запуск телескопа.
На последних этапах среди астрономов возникли разногласия из-за названия телескопа. Изначально его предлагали назвать в честь Джеймса Уэбба, руководителя NASA во время программы «Аполлон» по отправке людей на Луну.
В статье, опубликованной в Scientific American, три астронома призвали NASA переименовать телескоп, сославшись на тот факт, что Уэбб был высокопоставленным чиновником при администрации президента Гарри Трумэна во время «Лавандовой паники», когда представителей меньшинств выгоняли с государственных постов.
NASA решило не переименовывать телескоп после того, как провело внутреннее расследование и заявило об отсутствии доказательств причастности Уэбба к этой практике.
Уэбб готовится к транспортировке.
В октябре 2021 года JWST доставили на стартовую площадку космодрома Куру во Французской Гвиане.
Первоначально запуск телескопа был назначен на 18 декабря, но дважды откладывался из-за нескольких проблем, в том числе из-за сломанной зажимной ленты, которая создавала вибрации, нарушающие связь между ракетой и её наземными системами.
На Уэббе нет таких маленьких ошибок, которые имели бы маленькие последствия. Мы должны быть близки к совершенству.
Томас Зурбухен, помощник администратора Управления научных миссий NASA
Специалисты NASA должны устранить все ошибки, иначе телескоп стоимостью $10 млрд может оказаться космическим мусором.
Запуск — это только начало. Телескоп будет самостоятельно настраиваться в космосе
Ариан-5 с JWST на стартовой площадке.
На данный момент JWST планируют запустить 25 декабря в 15:20 по московскому времени. Его отправят в космос на ракете Ариан-5.
Сам запуск должен продлиться примерно 26 минут, прежде чем JWST отделится от Ариан-5.
Если все пройдет хорошо, то в NASA начнется период «29 дней на грани». За это время телескоп должен полностью запустить все свои системы в космосе.
Первое, что JWST должен сделать сразу после запуска — развернуть солнечную панель, чтобы питаться солнечной энергией. Затем он откроет антенну с высоким коэффициентом усиления для связи с Землей.
После этого начнется самое сложное — телескоп должен будет развернуть солнцезащитный экран и зеркало.
Визуализация развертывания всех систем Уэбба:
Когда трансформация завершится, телескоп запустит бортовые двигатели, чтобы занять окончательное положение в намеченной точке Лагранжа.
Если все процессы пройдут хорошо, то у NASA скоро появится самый мощный телескоп в мире. Когда он достигнет точки Лагранжа, ему потребуется несколько дней, чтобы остыть. Затем инженеры несколько месяцев будут проводить удаленную настройку и проверять все системы.
Первые снимки JWST должен прислать летом 2022 года.
Источник
