С каждым дополнительным сантиметром апертуры, каждой дополнительной секундой времени наблюдения и каждым дополнительным атомом атмосферных помех, удаленным из поля обзора телескопа, лучше, глубже и понятнее можно будет увидеть Вселенную.

25 лет «Хабблу»

Когда телескоп «Хаббл» начал функционировать в 1990 году, он открыл новую эру в астрономии - космическую. Не нужно было больше бороться с атмосферой, беспокоиться об облаках или электромагнитных мерцаниях. Все, что требовалось, - это развернуть спутник на цель, стабилизировать его и собирать фотоны. За 25 лет космические телескопы начали охватывать весь электромагнитный спектр, что позволило впервые рассмотреть Вселенную на каждой длине волны света.

Но поскольку наше знание увеличилось, выросло и наше понимание неизвестного. Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем более глубокое прошлое мы видим: конечное количество времени с момента Большого взрыва в сочетании с конечной скоростью света обеспечивает предел того, что мы можем наблюдать. Более того, расширение самого пространства работает против нас, растягивая звезд, пока он путешествует по Вселенной к нашим глазам. Даже космический телескоп «Хаббл», дающий нам самое глубокое, самое захватывающее изображение Вселенной, которое мы когда-либо открывали, в этом отношении ограничен.

Недостатки «Хаббла»

«Хаббл» - удивительный телескоп, но он имеет ряд принципиальных ограничений:

  • Всего 2,4 м в диаметре, что ограничивает его
  • Несмотря на покрытие светоотражающими материалами, он постоянно находится под прямыми солнечными лучами, которые его нагревают. Это значит, что из-за тепловых эффектов он не может наблюдать длину волны света более 1,6 мкм.
  • Сочетание ограниченной светосилы и длин волн, к которым он чувствителен, означает, что телескоп может видеть галактики возрастом не старше 500 млн лет.

Эти галактики прекрасны, далеки и существовали тогда, когда Вселенной было всего около 4% от ее нынешнего возраста. Но известно, что звезды и галактики существовали еще раньше.

Чтобы увидеть должен обладать более высокой чувствительностью. Это означает переход на более длинные волны и более низкие температуры, чем у «Хаббла». Именно поэтому и создается космический телескоп Джеймса Вебба.

Перспективы для науки

James Webb Space Telescope (JWST) предназначен для преодоления именно этих ограничений: с диаметром 6,5 м телескоп позволяет собирать в 7 раз больше света, чем "Хаббл". Он открывает возможность ультра-спектроскопии высокого разрешения от 600 нм до 6 мкм (в 4 раза больше длины волны, которую способен увидеть "Хаббл"), проводить наблюдения в средней инфракрасной области спектра с более высокой чувствительностью, чем когда-либо прежде. JWST использует пассивное охлаждение до температуры поверхности Плутона и способен активно охлаждать приборы средней инфракрасной области вплоть до 7 K. Телескоп Джеймса Вебба даст возможность заниматься наукой так, как никто раньше этого не делал.

Он позволит:

  • наблюдать самые ранние галактики, когда-либо сформировавшиеся;
  • видеть сквозь нейтральный газ и зондировать первые звезды и реионизацию Вселенной;
  • проводить спектроскопический анализ самых первых звезд (населения III), образовавшихся после Большого взрыва;
  • получить удивительные сюрпризы, подобные открытию самых ранних и квазаров во Вселенной.

Уровень научных исследований JWST не похож ни на что в прошлом, и поэтому телескоп был избран в качестве флагманской миссии НАСА 2010-х годов.

Научный шедевр

С технической точки зрения, новый телескоп Джеймса Вебба представляет собой настоящее произведение искусства. Проект прошел долгий путь: были перерасходы бюджета, отставания от графика и опасность отмены проекта. После вмешательства нового руководства все изменилось. Проект вдруг заработал как часы, были выделены средства, учтены ошибки, неудачи и проблемы, и команда JWST стала укладываться во все сроки, графики и бюджетные рамки. Запуск аппарата запланирован на октябрь 2018 года на ракете «Ариан-5». Команда не только следует расписанию, у нее есть девять месяцев в запасе, чтобы учесть все непредвиденные ситуации, чтобы все было собрано и готово к этой дате.

Телескоп Джеймса Вебба состоит из 4 основных частей.

Оптический блок

Включает все зеркала, из которых наиболее эффективны восемнадцать первичных сегментированных позолоченных зеркала. Они будут использоваться для сбора далекого звездного света и фокусирования его на инструментах для анализа. Все эти зеркала в настоящее время готовы и безупречны, сделаны точно по расписанию. По окончании сборки они будут сложены в компактную конструкцию, чтобы быть запущенными на расстояние более 1 млн км от Земли до точки Лагранжа L2, а затем автоматически развернуться с образованием сотовой структуры, которая долгие годы будет собирать сверхдальний свет. Это действительно красивая вещь и успешный результат титанических усилий многих специалистов.

Камера ближнего инфракрасного диапазона

«Вебб» оборудован четырьмя научными инструментами, которые уже готовы на 100%. Основной камерой телескопа является камера ближнего ИК-диапазона: от видимого оранжевого света до глубокой инфракрасной области. Она позволит получить беспрецедентные изображения самых ранних звезд, самых молодых галактик, находящихся еще в процессе формирования, молодых звезд Млечного Пути и близлежащих галактик, сотен новых объектов в поясе Койпера. Она оптимизирована для непосредственного получения изображений планет вокруг других звезд. Это будет основная камера, используемая большинством наблюдателей.

Ближний инфракрасный спектрограф

Данный инструмент не только разделяет свет на отдельные длины волн, но способен это делать для более 100 отдельных объектов одновременно! Этот прибор будет универсальным спектрографом «Вебба», который способен работать в 3-х различных режимах спектроскопии. Он был построен но многие компоненты, включая детекторы и батарея мульти-затвора, предоставлены Центром космических полетов им. Годдарда (НАСА). Этот прибор был протестирован и готов к установке.

Средне-инфракрасный инструмент

Прибор будет использоваться для широкополосной визуализации, то есть с его помощью будут получены наиболее впечатляющие изображения со всех инструментов «Вебба». С научной точки зрения, он будет наиболее полезным при измерении протопланетных дисков вокруг молодых звезд, измерении и визуализации с беспрецедентной точностью объектов пояса Койпера и пыли, разогретой светом звезд. Он будет единственным инструментом с криогенным охлаждением до 7 К. По сравнению с космическим телескопом Spitzer, это позволит улучшить результаты в 100 раз.

Бесщелевой спектрограф ближнего ИК-диапазона (NIRISS)

Прибор позволит производить:

  • широкоугольную спектроскопию в ближней инфракрасной области длин волн (1,0 - 2,5 мкм);
  • гризм-спектроскопию одного объекта в видимом и инфракрасном диапазоне (0,6 - 3,0 мкм);
  • апертурно-маскирующую интерферометрию на длинах волн 3,8 - 4,8 мкм (где ожидаются первые звезды и галактики);
  • широкодиапазонную съемку всего поля зрения.

Этот инструмент создан Канадским космическим агентством. После прохождения криогенного тестирования он также будет готов к интеграции в приборный отсек телескопа.

Солнцезащитное устройство

Космические телескопы ими еще не оборудовались. Одной из самых пугающих сторон каждого запуска является применение совершенно нового материала. Вместо того, чтобы охлаждать весь космический аппарат активно с помощью одноразового расходуемого хладагента, телескоп Джеймса Вебба использует совершенно новую технологию - 5-слойный солнцезащитный экран, который будет развернут для отражения солнечного излучения от телескопа. Пять 25-метровых листов будут соединены титановыми стержнями и установлены после развертывания телескопа. Защита тестировалась в 2008 и 2009 годах. Полномасштабные модели, участвовавшие в лабораторных испытаниях, выполнили все, что они должны были сделать, здесь на Земле. Это красивая инновация.

К тому же это еще и невероятная концепция: не просто блокировать свет от Солнца и поместить телескоп в тени, а сделать это таким образом, чтобы все тепло излучалось в направлении, противоположном ориентации телескопа. Каждый из пяти слоев в вакууме космоса будет становится холодным по мере удаления от наружного, который будет немного теплее, чем температура поверхности Земли - около 350-360 K. Температура последнего слоя должна опуститься до 37-40 К, что холоднее, чем ночью на поверхности Плутона.

Кроме того, предприняты значительные меры предосторожности для защиты от неблагоприятной среды глубокого космоса. Одной из вещей, о которых здесь следует беспокоиться, являются крошечные камешки, размером с гальку, песчинки, пылинки и еще меньше, пролетающие через межпланетное пространство со скоростью десятков или даже сотен тысяч км/ч. Эти микрометеориты способны проделывать крошечные, микроскопические отверстия во всем, с чем они сталкиваются: космических аппаратах, костюмах космонавтов, зеркалах телескопов и многом другом. Если зеркала получат только вмятины или отверстия, что слегка уменьшит количество доступного «хорошего света», то солнечный щит может порваться от края до края, что сделает весь слой бесполезным. Для борьбы с этим явлением была использована блестящая идея.

Весь солнечный щит был разделен на участки таким образом, что, если возникнет небольшой разрыв в одном, двух или даже трех из них, слой не порвется дальше, как трещина в лобовом стекле автомобиля. Секционирование сохранит всю структуру целой, что важно для предотвращения деградации.

Космический аппарат: системы сборки и управления

Это самый обычный компонент, так как есть у всех космических телескопов и научных миссий. У JWST он уникален, но также полностью готов. Все, что осталось сделать генеральному подрядчику проекта компании Northrop Grumman, - закончить щит, собрать телескоп и проверить его. Аппарат будет готов к запуску через 2 года.

10 лет открытий

Если все пойдет правильно, человечество окажется на пороге больших научных открытий. Завеса нейтрального газа, которая до сих пор заслоняла обзор самых ранних звезд и галактик, будет устранена инфракрасными возможностями «Вебба» и его огромной светосилой. Это будет самый большой, самый чувствительный телескоп с огромным диапазоном длин волн от 0,6 до 28 микрон (человеческий глаз видит от 0,4 до 0,7 мкм) из когда-либо построенных. Ожидается, что он обеспечит десятилетие наблюдений.

Согласно НАСА, срок миссии «Вебба» составит от 5,5 до 10 лет. Он ограничен количеством топлива, которое необходимо для поддержания орбиты, и сроком службы электроники и оборудования в суровых условиях космоса. Орбитальный телескоп Джеймса Вебба будет нести запас топлива на весь 10-летний срок, а через 6 месяцев после запуска будет произведено тестирование обеспечения полета, которое гарантирует 5 лет научных работ.

Что может пойти не так?

Основным ограничивающим фактором является количество топлива на борту. Когда оно закончится, спутник будет дрейфовать в сторону от L2, выйдя на хаотическую орбиту в непосредственной близости от Земли.

Коме этого, могут произойти и другие неприятности:

  • деградация зеркал, которая повлияет на количество собираемого света и создаст артефакты изображения, но не повредит дальнейшей эксплуатации телескопа;
  • выход из строя части или всего солнечного экрана, что приведет к повышению температуры космического аппарата и сузит используемый диапазон длин волн до очень близкой инфракрасной области (2-3 мкм);
  • поломка системы охлаждения инструмента среднего ИК-диапазона, что сделает его непригодным для использования, но не повлияет на другие инструменты (от 0,6 до 6 мкм).

Наиболее тяжелое испытание, которое ожидает телескоп Джеймса Вебба, - запуск и выведение на заданную орбиту. Именно эти ситуации тестировались и были успешно пройдены.

Революция в науке

Если телескоп Вебба заработает в штатном режиме, топлива хватит, чтобы обеспечить его работу с 2018 по 2028 год. Кроме того, существует потенциальная возможность дозаправки, которая могла бы увеличить срок службы телескопа еще на одно десятилетие. Подобно тому, как «Хаббл» эксплуатировался в течение 25 лет, JWST мог бы обеспечить поколение революционной науки. В октябре 2018 года ракета-носитель «Ариан-5» выведет на орбиту будущее астрономии, которое после более 10 лет напряженной работы уже готово начать приносить плоды. Будущее космических телескопов почти наступило.

Космический телескоп им. Джеймса Уэбба, запуск которого должен состояться в 2020 году, будет исследовать космос, чтобы раскрыть историю вселенной от Большого Взрыва до момента формирования планет. Перед ним стоит четыре исследовательских задачи: изучение первого света во вселенной, исследование появления галактик в ранней вселенной, наблюдение за рождением звезд и протопланетных систем, а также поиск экзопланет (включая поиск внеземной жизни).

Космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST) будет запущен с помощью ракета-носителя Ариан-5 из Французской Гвианы, после чего потребуется 30 дней, чтобы пролететь более миллиона километров в место его постоянной дислокации: в точку Лагранжа (L2), или гравитационно стабильное положение в пространстве, где он и будет вращаться. Это достаточно популярное место, в котором располагаются несколько других космических телескопов, в том числе телескоп Гершеля и космическая обсерватория Планка.

Ожидается, что мощный космический телескоп стоимостью 8,8 млрд. долларов сможет получить удивительные фотографии небесных объектов, как и его предшественник, космический телескоп Хаббл. К счастью для астрономов, «Хаббл» остается в хорошем состоянии, и вполне вероятно, что два телескопа будут работать вместе первые несколько лет. JWST также исследует экзопланеты, которые были обнаружены космическим телескопом Кеплер или при помощи наблюдений в реальном времени с наземных телескопов.

Задачи, стоящие перед телескопом

Научная программа для JWST в основном разделена на четыре области:

  • Первый свет и реионизация : это относится к ранним этапам развития вселенной после того, как Большой взрыв создал ее такой, какой мы ее знаем. На первых этапах после Большого взрыва вселенная была морем частиц (таких как электроны, протоны и нейтроны), и в ней не существовало света до того, пока вселенная не остыла настолько, чтобы эти частицы начали объединяться. Еще одна вещь, которую JWST будет изучать - это то, что произошло после образования первых звезд; этот отрезок истории называется «эпохой реионизации», потому что он относится к тому времени, когда нейтральный водород был повторно ионизирован (снова заряжен электрическим зарядом) излучением от этих первых звезд.
  • Образование галактик : взгляд на галактики - полезный способ увидеть, как материя организована в гигантских масштабах, что, в свою очередь, дает нам подсказки о том, как эволюционировала вселенная. Спиральные и эллиптические галактики, которые мы видим сегодня, на самом деле эволюционировали из разных форм в течение миллиардов лет, и одна из целей JWST состоит в том, чтобы взглянуть на самые ранние галактики, чтобы лучше понять эту эволюцию. Ученые также пытаются выяснить, как мы получили то разнообразие галактик, которое наблюдаем сегодня, и какие существуют способы образования галактик.
  • Рождение звезд и протопланетных систем : «Столпы творения», или туманность Орла - одно из самых известных мест рождения звезд. Звезды появляются в облаках газа, и по мере того, как они растут, радиационное давление, которое они оказывают, сдувает с них часть газа (который может снова использоваться для образования других звезд, если он не слишком широко рассеялся). Однако трудно что-либо видеть внутри газа. Инфракрасные «глаза» JWST смогут увидеть источники тепла, включая звезды, рождающиеся в этих облаках.
  • Планеты и происхождение жизни : в последнее десятилетие было найдено огромное количество экзопланет, обнаруженных в том числе и с помощью космического телескопа Кеплер. Мощные датчики JWST смогут исследовать эти планеты более подробно, включая (в некоторых случаях) визуализацию их атмосферы. Понимание атмосферы и условий образования планет могут помочь ученым лучше предсказывать, пригодны ли те или иные планеты для жизни, или нет.
Инструменты на борту


JWST будет оснащен четырьмя научными инструментами:

  • Камера ближнего инфракрасного излучения (NIRCam) : эта инфракрасная камера, предоставленная Университетом Аризоны, обнаружит свет от звезд в соседних галактиках и от удаленных звезд Млечного Пути. Она также будет искать свет от звезд и галактик, которые сформировались в начале жизни вселенной. NIRCam будет оснащаться коронографами, которые могут блокировать свет яркого объекта (например, звезды), что сделает тусклые объекты вблизи этих звезд (например, планет) видимыми.
  • Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) : NIRSpec будет наблюдать до 100 объектов одновременно, ища первые галактики, образовавшиеся после Большого Взрыва. NIRSpec был предоставлен Европейским космическим агентством при содействии Центра космических полетов имени Годдара.
  • Спектрограф среднего инфракрасного диапазона (MIRI) : MIRI создаст удивительные космические фотографии дальних небесных объектов, как это сейчас делает Хаббл. Спектрограф позволит ученым собрать больше физических подробностей о дальних объектах во вселенной. MIRI обнаружит отдаленные галактики, слабые кометы, образующиеся звезды и объекты в поясе Койпера. MIRI был спроектирован Европейским консорциумом совместно с Европейским космическим агентством и Лабораторией реактивного движения НАСА.
  • Датчик точного наведения с устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (FGS/NIRISS) : этот инструмент, созданный в Канадском космическом агентстве, больше похож на два прибора в одном. Компонент FGS отвечает за то, чтобы JWST смотрел точно в правильном направлении во время своих научных исследований. NIRISS будет искать следы первого света во вселенной, а также исследовать экзопланеты.
Телескоп к тому же будет иметь солнцезащитный козырек и зеркало диаметром 21,3 фута (6,5 метров) - это самое большое зеркало, которое будет отправлено в космос. Эти компоненты не поместятся разложенном виде в ракету, запускающую JWST, поэтому они оба будут разворачиваться, как только телескоп окажется в космосе.

История JWST

JWST имеет долгую историю развития. Еще в 2011 году затраты на него превысили предполагаемые в четыре раза, что повлияло на бюджет НАСА для астрономических исследований и, в свою очередь, заставило агентство выйти из некоторых совместных миссий с ЕКА (Европейским космическим агентством).

Когда Хаббл только готовили к космической миссии, уже планировался телескоп-преемник. После запуска Хаббла НАСА приступила к «более быстрой, лучшей и дешевой» эре, которая предполагает использовать миниатюризацию электроники и команды тигров (tiger teams - команды экспертов по определению слабых мест системы - прим. перев. ) для сокращения расходов на космические миссии.

Это вызвало переформулировку ранних характеристик нового телескопа во что-то, что назвали Космическим телескопом следующего поколения (NGST). Первая версия NGST предполагала 8-метровое зеркало, а место дислокации телескопа - точка Лагранжа L2. NGST был переименован в Космический телескоп Джеймса Вебба в 2002 году в честь второго руководителя НАСА. По оценкам, стоимость проекта в 2005 году не должна была превышать 4,5 млрд. долларов, но в последующие годы все же произошел перерасход средств.

В 2010 году независимая экспертная группа, ответственная на JWST, предупредила, что стоимость телескопа будет существенно превышать запланированную. Они также отметили, что после подтверждения проекта НАСА в 2008 году рост затрат и задержки с расписанием были «связаны с бюджетированием и управленческими программами, а не с техническими характеристиками». Среди проблем, упомянутых в обзоре, были плохие процедуры оценки и базовый бюджет, который был слишком низким. Группа предположила, чтобы самая ранняя дата запуска - это 2015 год.

Около 2010 года НАСА и Европейское космическое агентство сотрудничали в нескольких крупномасштабных миссиях, включая ExoMars и создание рентгеновского телескопа Athena. Однако к 2011 году ЕКА заявила, что быстрее будет продвигаться вперед в этих миссиях самостоятельно. НАСА сократило также свои другие программы, чтобы обеспечить материально разработку JWST, в том числе вышла из программы ExoMars. Кроме того, опрос Национального научного фонда США в 2010 году, который проводится каждые десять лет и устанавливает приоритетные астрономические программы, оценил совместные миссии с ЕКА ниже, чем другие инициативы.

К 2011 году JWST стоил уже 8,7 млрд. долларов, из-за чего проект был на грани закрытия из-за перерасхода средств. И хотя финансирование миссии было продолжено, в НАСА признали, что вынуждены были серьезно ограничить другие миссии. Повышенная бдительность по программе продолжалась в течение нескольких лет, и в 2015 году НАСА заявила, что работа над телескопом идет полным ходом, а запуск ожидается в 2018 году.

Однако в сентябре NASA объявило, что запуск был перенесен с октября 2018 года на весну 2019 года, ссылаясь на вопросы интеграции космических аппаратов. «Изменение сроков запуска не указывает на проблемы с оборудованием или техническими характеристиками», - говорится в заявлении Томаса Зурбухена, ассоциированного администратора Управления научными миссиями НАСА. «Скорее, интеграция различных элементов космического аппарата занимает больше времени, чем ожидалось».

В марте 2018 года НАСА объявило, что дата запуска снова переносится, теперь уже на май 2020 года, из-за необходимости более тщательного тестирования сложных систем телескопа. Задержка запуска не является единственной неутешительной новостью для космического телескопа. Его стоимость, которая уже превышает 8,8 млрд. долларов, может еще увеличиться, как сообщили 27 марта официальные лица НАСА.

«Теперь все технические нюансы решены, но все еще остаются некоторые моменты, выявленные при тестировании узлов телескопа, и они побуждают нас предпринять необходимые шаги, чтобы решить их и завершить эту амбициозную и сложную обсерватории», - сказал исполняющий обязанности администратора НАСА Роберт Лайтфут в своем заявлении.

Джеймс Уэбб

JWST назван в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба. Он взял на себя ответственность за космическое агентство с 1961 по 1968 год, и ушел на пенсию всего за несколько месяцев до того, как НАСА совершило первую высадку человека на Луну.

Хотя пребывания Уэбба в качестве администратора НАСА наиболее тесно связано с программой Аполлон, он также считается лидером в области космической науки. Даже во времена великих политических потрясений, Уэбб ставил основной целью НАСА продвижение науки, считая, что запуск большого космического телескопа должен быть одной из ключевых целей космического агентства. NASA запустило более 75 миссий, направленных на изучение космоса, под руководством Уэбба, в том числе миссии по изучению Солнца, звезд и галактик, а также космического пространства сразу за земной атмосферой.

Приближается момент, которого все астрономы мира с нетерпением ждали много лет. Речь идет о запуске нового космического телескопа «Джеймс Уэбб», который считается своего рода правопреемником знаменитого «Хаббла».

Зачем нужны космические телескопы

Прежде чем приступать к рассмотрению технических особенностей, давайте разберемся, зачем вообще нужны космические телескопы и какие преимущества они имеют перед комплексами, расположенными на Земле. Дело в том, что земная атмосфера, а особенно содержащийся в ней водяной пар, поглощает львиную долю излучения, идущего из космоса. Это, конечно, очень сильно затрудняет изучение далеких миров.

Но, атмосфера нашей планеты с ее искажениями и облачностью, а также шумы и вибрации на поверхности Земли не помеха для космического телескопа. В случае с автоматической обсерваторией «Хаббл» из-за отсутствия влияния атмосферы ее разрешающая способность примерно в 7–10 раз превосходит показатели телескопов, расположенных на Земле. Многие фото далеких туманностей и галактик, которые нельзя различить на ночном небе невооруженным глазом, были получены именно благодаря «Хабблу». За 15 лет работы на орбите телескоп получил более одного млн изображений 22 тыс. небесных объектов, среди которых многочисленные звезды, туманности, галактики и планеты. При помощи «Хаббла» ученые, в частности, доказали, что близ большинства светил нашей Галактики происходит процесс формирования планет.

Но запущенный в 1990 году «Хаббл» не вечен, а его технические возможности ограничены. Действительно, за последние десятилетия наука шагнула далеко вперед, и теперь можно создать гораздо более совершенные устройства, которые способны приоткрыть многие тайны Вселенной. Именно таким аппаратом станет «Джеймс Уэбб».

Возможности «Джеймса Уэбба»

Как мы уже убедились, полноценное изучение космоса без таких аппаратов, как «Хаббл», невозможно. Теперь постараемся понять концепцию «Джеймса Уэбба». Данный аппарат представляет собой орбитальную инфракрасную обсерваторию. Иными словами, ее задачей будет исследование теплового излучения космических объектов. Вспомним, что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемых телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

Среди главных задач будущего телескопа – выявление света первых звезд и галактик, которые появились после Большого взрыва. Это чрезвычайно сложно, так как движущийся в течение миллионов и миллиардов лет свет претерпевает существенные изменения. Так, видимое излучение той или иной звезды может быть полностью поглощено пылевым облаком. В случае с экзопланетами все еще труднее, так как эти объекты чрезвычайно малы (по астрономическим меркам, конечно) и «тусклы». У большей части планет средняя температура редко превышает 0°C, а в ряде случаев она может опускаться ниже –100°C. Обнаружить такие объекты очень сложно. Но аппаратура, установленная на телескопе «Джеймс Уэбб», позволит выявлять экзопланеты, температура поверхности которых достигает 300 К (что сравнимо с земным показателем), находящиеся дальше 12 астрономических единиц от своих звезд и удаленные от нас на расстояние до 15 световых лет.

Новый телескоп был назван в честь второго руководителя NASA. Джеймс Уэбб был у руля космического ведомства США в период с 1961 по 1968 годы. Именно на его плечах лежал контроль над выполнением первых в США пилотируемых запусков в космос. Он сделал большой вклад в реализацию программы «Аполлон», целью которой была высадка человека на Луну.

Всего можно будет наблюдать планеты, расположенные у нескольких десятков звезд, «соседствующих» с нашим Солнцем. Причем «Джеймс Уэбб» сможет увидеть не только сами планеты, но и их спутники. Иными словами, нас может ожидать революция по части изучения экзопланет. И, возможно, даже не одна. Если же говорить о Солнечной системе, то и здесь могут быть новые важные открытия. Дело в том, что чувствительная аппаратура телескопа сможет обнаружить и изучить объекты системы, имеющие температуру –170° С.

Возможности нового телескопа позволят понять многие процессы, происходящие на заре существования Вселенной – заглянуть в сами ее истоки. Рассмотрим этот вопрос более детально: как известно, звезды, которые находятся на расстоянии 10 световых лет от нас, мы видим именно такими, какими они были 10 лет назад. Следовательно, расположенные на удалении более 13 млрд световых лет объекты мы наблюдаем в том виде, какими они являлись почти сразу после Большого взрыва, который, как считается, произошел 13,7 млрд лет назад. Приборы, установленные на новом телескопе, позволят увидеть на 800 миллионов дальше, чем «Хаббл», установивший рекорд в своей время. Так что можно будет увидеть Вселенную, какой она была всего лишь через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Возможно, это перевернет представления ученых об устройстве Вселенной. Остается только дождаться начала работы телескопа, которое намечено на 2019 год. Предполагается, что аппарат будет эксплуатироваться в течение 5–10 лет, так что времени для новых открытий будет предостаточно.

Общее устройство

Для запуска «Джеймса Уэбба» хотят использовать ракету-носитель «Ариан-5», созданную европейцами. Вообще, несмотря на доминирующую роль космического ведомства США, проект можно назвать международным. Сам телескоп был разработан американскими компаниями Northrop Grumman и Ball Aerospace, а всего участие в программе приняли эксперты из 17 стран мира. Кроме специалистов из США и ЕС значительный вклад также внесли канадцы.

После запуска аппарат будет находиться на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце – Земля. Это означает, что, в отличие от «Хаббла», новый телескоп не будет вращаться вокруг Земли: постоянное «мелькание» нашей планеты могло бы помешать проводить наблюдения. Вместо этого «Джеймс Уэбб» будет обращаться вокруг Солнца. При этом для обеспечения эффективной связи с Землей он будет перемещаться вокруг светила синхронно с нашей планетой. Удаление «Джеймса Уэбба» от Земли достигнет 1,5 млн км: из-за такого большого расстояния его не получится модернизировать или отремонтировать как «Хаббл». Поэтому надежность ставится во главу угла всей концепции «Джеймса Уэбба».

Но что же собой представляет новый телескоп? Перед нами космический аппарат, весящий 6,2 тонны. Чтобы было понятно, вес «Хаббла» составляет 11 тонн – почти в два раза больше. При этом «Хаббл» был намного меньше по своим размерам – его можно сравнить с автобусом (новый телескоп сравним по длине с теннисным кортом, а по высоте – с трехэтажным домом). Самой большой частью телескопа является противосолнечный щит, имеющий длину 20 и ширину 7 метров. Он похож на огромный слоеный пирог. Для изготовления щита была использована особая специальная полимерная пленка, покрытая тонким слоем алюминия с одной стороны и металлическим кремнием с другой. Пустоты между слоями теплового щита заполняет вакуум: это усложняет передачу тепла в «сердце» телескопа. Целью данных шагов является защита от солнечных лучей и охлаждение сверхчувствительных матриц телескопа до –220° C. Без этого телескоп будет «ослеплен» инфракрасным свечением своих деталей и о наблюдении далеких объектов придется забыть.

Больше всего в глаза бросается зеркало нового телескопа. Оно необходимо для фокусировки пучков света - зеркало их выпрямляет и создает четкую картину, при этом цветовые искажения убираются. «Джеймс Уэбб» получит основное зеркало, диаметр которого составляет 6,5 м. Для сравнения, аналогичный показатель у «Хаббла» равен 2,4 м. Диаметр основного зеркала для нового телескопа выбран неспроста – именно столько необходимо для измерения света самых далеких галактик. Нужно сказать, что от размера площади зеркала (в нашем случае он составляет 25 м²), собирающего свет от далеких космических объектов, зависит чувствительность телескопа, а также его разрешающая способность.

Для зеркала «Уэбба» использован особый тип бериллия, представляющий собой мелкий порошок. Его помещают в контейнер из нержавеющей стали, после чего прессуют в плоскую форму. После удаления стального контейнера кусок бериллия разрезают на две части, делая заготовки зеркала, каждая из которых используется для создания одного сегмента. Каждый из них стачивают и полируют, а затем охлаждают до температуры –240 °C. Затем происходит уточнение размеров сегмента, его окончательная полировка, а также нанесение золота на переднюю часть. В конце сегмент подвергают повторным испытаниям при криогенных температурах.

Учеными было рассмотрено несколько вариантов того, из чего может быть сделано зеркало, но в конечном итоге специалисты остановили свой выбор на бериллии – легком и относительно твердом металле, стоимость которого весьма высока. Одной из причин данного шага стало то, что бериллий сохраняет свою форму в условиях криогенных температур. Само зеркало по форме напоминает круг – это позволяет максимально компактно фокусировать свет на детекторах. Имей «Джеймс Уэбб», например, овальное зеркало, изображение было бы вытянутым.
Основное зеркало состоит из 18 сегментов, которые раскроются после вывода аппарата на орбиту. Если бы оно было цельным, то разместить телескоп на ракете «Ариан-5» было бы просто физически невозможно. Каждый из сегментов шестиугольный, что позволяет использовать пространство наилучшим образом. Элементы зеркала имеют золотой цвет. За счет позолоты обеспечивается наилучшее отражение света в инфракрасном диапазоне: золото будет эффективно отражать ИК-излучение с длиной волны от 0,6 до 28,5 микрометра. Толщина золотого слоя составляет 100 нанометров, а общий вес покрытия равен 48,25 грамма.

Перед 18-ю сегментами на специальном крепеже установлено вторичное зеркало: оно будет принимать свет главного зеркала и направлять его на научные инструменты, расположенные в задней части аппарата. Вторичное зеркало намного меньше основного и имеет выпуклую форму.

Как и в случае со многими амбициозными проектами, цена телескопа «Джеймса Уэбб» оказалось выше, чем предполагалось. Изначально эксперты планировали, что космическая обсерватория обойдется в 1,6 млрд долларов, однако новые оценки говорят, что стоимость может возрасти до 6,8 млрд. Из-за этого в 2011 году от проекта даже хотели отказаться, однако потом было решено вернуться к его реализации. И сейчас «Джеймсу Уэббу» ничего не угрожает.

Научные инструменты

Для изучения космических объектов на телескопе установлены следующие научные инструменты:

- NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона)
- NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона)
- MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона)
- FGS/NIRISS (датчик точного наведения и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф)

Телескоп «Джеймс Уэбб» / ©wikimedia

NIRCam

Камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam – основной блок формирования изображения. Это своего рода «главные глаза» телескопа. Рабочий диапазон камеры – от 0,6 до 5 микрометров. Снимки, сделанные ею, будут впоследствии изучаться другими инструментами. Именно при помощи NIRCam ученые хотят увидеть свет от самых ранних объектов Вселенной на заре их формирования. Кроме этого, за счет инструмента будут изучены молодые звезды нашей Галактики, создана карта темной материи и многое другое. Важная особенность NIRCam – наличие коронографа, позволяющего увидеть планеты вокруг далеких звезд. Это станет возможным благодаря подавлению света последних.

NIRSpec

При помощи спектрографа ближнего инфракрасного диапазона можно будет собирать информацию, касающуюся как физических свойств объектов, так и их химического состава. Спектрография занимает очень много времени, однако при помощи технологии микрозатворов можно будет проводить наблюдения за сотней объектов на площади неба 3×3 угловых минуты. Каждая ячейка микрозатворов NIRSpec имеет крышку, которая открывается и закрывается под влиянием магнитного поля. Ячейка имеет индивидуальное управление: в зависимости от того, закрыта она или открыта, информация об исследуемый части неба предоставляется или же, наоборот, блокируется.

MIRI

Прибор среднего инфракрасного диапазона работает в диапазоне 5–28 микрометров. Данное устройство включает в себя камеру с датчиком, который имеет разрешение 1024×1024 пикселя, а также спектрограф. Три массива мышьяко-кремниевых детекторов делают MIRI самым чувствительным прибором в арсенале телескопа «Джеймс Уэбб». Предполагается, что с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона удастся различить рождающиеся звезды, многие ранее неизвестные объекты пояса Койпера, красное смещение очень далеких галактик, а также загадочную гипотетическую планету X (она же девятая планета Солнечной системы). Номинальной рабочей температурой для MIRI являются 7 К. Одна лишь пассивная система охлаждения не способна ее обеспечить: для этого используются два уровня. Сначала с помощью пульсационной трубы телескоп охлаждается до 18 К, а потом температура понижается до 7 К при помощи теплообменника с адиабатическим дросселированием.

FGS/NIRISS

FGS/NIRISS состоит из двух приборов – датчика точного наведения и устройства формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевого спектрографа. Фактически NIRISS дублирует функции NIRCam и NIRSpec. Работающее в диапазоне 0,8–5,0 микрометров устройство будет обнаруживать «первый свет» от далеких объектов, наводя на них оборудование. NIRISS также пригодится для обнаружения и изучения экзопланет. Что же касается датчика точного наведения FGS, то при помощи этого оборудования будет наводиться сам телескоп, чтобы иметь возможность получить более качественные изображения. Камера FGS позволяет формировать изображение из двух смежных участков неба, размер которых составляет 2,4×2,4 угловых минуты каждый. Она также считывает информацию 16 раз в секунду с небольших групп пикселей размером 8×8: этого хватает для выявления соответствующей опорной звезды с вероятностью в 95% в любой точке неба, включая высокие широты.

Установленная на телескопе аппаратура позволит иметь качественную связь с Землей и передавать научные данные со скоростью 28 Мбит/с. Как мы знаем, не все исследовательские аппараты могут похвастаться такой возможностью. Американский зонд «Галилео», например, передавал информацию со скоростью всего лишь 160 бит/с. Это, впрочем, не помешало ученым получить огромный массив информации о Юпитере и его спутниках.

Новый космический аппарат обещает стать достойным правопреемником «Хаббла» и позволит ответить на вопросы, которые остаются тайной за семью печатями до сегодняшнего дня. Среди возможных открытий «Джеймса Уэбба» – обнаружение миров, похожих на Землю и пригодных для обитания. Данные, полученные телескопом, могут быть полезны для проектов, рассматривающих возможность существования инопланетных цивилизаций.

Главные подрядчики Northrop Grumman
Ball Aerospace Волновой диапазон 0,6-28 мкм (части видимого и инфракрасного) Местонахождение точка Лагранжа L 2 системы Солнце - Земля (1,5 млн км от Земли в противоположную Солнцу сторону) Тип орбиты гало-орбита Дата запуска 30 Марта 2021 года Место запуска Куру Средство вывода на орбиту Ариан-5 или Ариан-6 Продолжительность 5-10 лет Дата схода с орбиты около 2024 Масса 6,2 тонны Тип телескопа телескоп-рефлектор системы Корша Диаметр около 6,5 м Площадь собирающей
поверхности около 25 м² Фокусное расстояние 131,4 м Научные инструменты
  • MIRI
прибор среднего инфракрасного диапазона
  • NIRCam
камера ближнего инфракрасного диапазона
  • NIRSpec
спектрограф ближнего инфракрасного диапазона
  • FGS/NIRISS
датчик точного наведения с устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом Сайт www.jwst.nasa.gov Медиафайлы на Викискладе

Первоначально назывался «Космический телескоп нового поколения» (англ. Next-generation space telescope, NGST ). В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1906-1992), возглавлявшего агентство в 1961-1968 годах во время реализации программы Аполлон .

«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре с площадью собирающей поверхности 25 м² , скрытым от инфракрасного излучения со стороны Солнца и Земли тепловым экраном . Телескоп будет размещён на гало-орбите в точке Лагранжа L 2 системы Солнце - Земля.

Проект представляет собой результат международного сотрудничества 17 стран , во главе которых стоит NASA , со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.

Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5 » в марте 2021 года . В этом случае первые научные исследования начнутся осенью 2021 года. Срок работы телескопа составит не менее пяти лет.

Задачи

Астрофизика

Первичными задачами JWST являются: обнаружение света первых звёзд и галактик , сформированных после Большого взрыва , изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также «Уэбб» сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной и что её вызвало .

Экзопланетология

Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет. В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря JWST ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет (что будет являться недостижимым показателем ни для одного наземного и космического телескопа до 2025 года, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м ) . Для поиска экзопланет будут также использованы данные, которые получил телескоп «Кеплер» начиная с 2009 года. Однако возможностей телескопа будет недостаточно для получения изображений найденных экзопланет. Такая возможность появится не раньше середины 2030-х годов, когда будет запущен телескоп-наследник «Джеймса Уэбба» - ATLAST .

Водные миры Солнечной системы

Инфракрасные инструменты телескопа будут использованы для изучения водных миров Солнечной системы - спутника Юпитера Европы и спутника Сатурна Энцелада . Инструмент NIRSpec будет использован для поиска биосигнатур (метан, метанол, этан) в гейзерах обоих спутников .

Инструмент NIRCam сможет получить изображения Европы в высоком разрешении, которые будут использованы для изучения её поверхности и поиска регионов с гейзерами и высокой геологической активностью. Состав зафиксированных гейзеров будет проанализирован с помощью инструментов NIRSpec и MIRI. Данные, полученные в ходе этих исследований, будут также использованы при исследовании Европы зондом Europa Clipper .

Для Энцелада, ввиду его удаленности и малых размеров, получить изображения в высоком разрешении не удастся, однако возможности телескопа позволят провести анализ молекулярного состава его гейзеров.

История

Изменение планируемой даты запуска и бюджета
Год Планируемая
дата запуска 		Планируемый
бюджет
(млрд долларов)
1997 2007 0,5
1998 2007 1
1999 2007-2008 1
2000 2009 1,8
2002 2010 2,5
2003 2011 2,5
2005 2013 3
2006 2014 4,5
2008 2014 5,1
2010 не раньше сентября 2015 ≥6,5
2011 2018 8,7
2013 2018 8,8
2017 весна 2019 8,8
2018 не раньше марта 2020 ≥8,8
2018 30 марта 2021 9,66

Изначально запуск намечался на 2007 год, в дальнейшем переносился несколько раз (см. таблицу). Первый сегмент зеркала был установлен на телескоп лишь в конце 2015 года, а полностью главное составное зеркало было собрано только в феврале 2016 года. По данным на весну 2018 года, планируемая дата запуска была сдвинута на 30 марта 2021 года .

Финансирование

Стоимость проекта тоже неоднократно увеличивалась. В июне 2011 года стало известно, что стоимость телескопа превысила изначальные расчёты по меньшей мере в четыре раза. В бюджете НАСА, предложенном в июле 2011 года конгрессом, предполагалось прекращение финансирования строительства телескопа из-за плохого управления и превышения бюджета программы , но в сентябре того же года бюджет был пересмотрен, и проект сохранил финансирование . Окончательное решение о продолжении финансирования было принято сенатом 1 ноября 2011 года.

В 2013 году на постройку телескопа было выделено 626,7 млн долларов .

К весне 2018 года стоимость проекта возросла до 9,66 млрд долларов .

Изготовление оптической системы

Проблемы

Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра , чтобы измерить свет от самых далёких галактик . Простое изготовление зеркала, подобного зеркалу телескопа «Хаббл », но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл » на единицу площади .

Разработка и испытания

Производство

Для зеркала «Уэбба» используется особый тип бериллия . Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.

Процесс формирования зеркала начинается с вырезания излишков материала на оборотной стороне бериллиевой заготовки таким образом, что остаётся тонкая рёберная структура. Передняя же сторона каждой заготовки сглаживается с учётом положения сегмента в большом зеркале.

Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы, близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.

По завершении обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6-29 мкм , и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах .

Тестирование

10 июля 2017 года - начало финального криогенного теста телескопа при температуре 37 в космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне , который продлился 100 дней .

Помимо испытаний в Хьюстоне аппарат прошел серию механических проверок в центре космических полётов Годдарда, которые показали, что он сможет выдержать запуск с помощью тяжелой ракеты-носителя.

В начале февраля 2018 года гигантские зеркала и различные приборы доставлены на предприятие компании Northrop Grumman в Редондо-Бич для последнего этапа сборки телескопа. Там уже идет сооружение двигательного модуля телескопа и его солнцезащитного экрана. Когда вся конструкция будет собрана, её отправят на морском судне из Калифорнии во французскую Гвиану .

Оборудование

JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:

  • Камера ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Camera );
  • Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (англ. Mid-Infrared Instrument, MIRI );
  • Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec );
  • Датчик точного наведения (англ. Fine Guidance Sensor, FGS ) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (англ. Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS ).

Камера ближнего инфракрасного диапазона

Камера ближнего инфракрасного диапазона является основным блоком формирования изображения «Уэбба» и будет состоять из массива ртутно-кадмиево-теллуровых детекторов . Рабочий диапазон прибора составляет от 0,6 до 5 мкм . Его разработка поручена Аризонскому университету и Центру продвинутых технологий компании Lockheed Martin .

В задачи прибора входят:

  • обнаружение света от самых ранних звёзд и галактик на стадии их формирования;
  • изучение звёздных населений в ближайших галактиках ;
  • изучение молодых звёзд Млечного Пути и объектов пояса Койпера ;
  • определение морфологии и цвета галактик при сильном красном смещении ;
  • определение кривых блеска дальних сверхновых ;
  • создание карты тёмной материи с помощью гравитационного линзирования .

Многие объекты, которые «Уэбб» будет изучать, излучают настолько мало света, что телескопу для анализа спектра необходимо собирать свет от них в течение сотен часов. Чтобы изучить тысячи галактик за 5 лет работы телескопа, спектрограф был разработан с возможностью наблюдения за 100 объектами на площади неба 3×3 угловых минуты одновременно. Для этого учёные и инженеры Годдарда разработали новую технологию микрозатворов для управления светом, входящим в спектрограф .

Суть технологии, позволяющей получать 100 одновременных спектров, заключается в микроэлектромеханической системе, именуемой «массив микрозатворов» (англ. microshutter array ). У ячеек микрозатворов спектрографа NIRSpec есть крышки, которые открываются и закрываются под действием магнитного поля. Каждая ячейка размером 100 на 200 мкм индивидуально управляется и может быть открытой или закрытой, предоставляя или, наоборот, блокируя часть неба для спектрографа , соответственно.

Именно эта регулируемость позволяет прибору делать спектроскопию такого количества объектов одновременно. Поскольку объекты, которые будет исследовать NIRSpec , находятся далеко и тусклы, инструмент нуждается в подавлении излучения от более близких ярких источников. Микрозатворы работают подобно тому, как люди смотрят искоса, чтобы сосредоточиться на объекте, блокируя нежелательный источник света.

Прибор уже разработан и в данный момент проходит испытания в Европе .

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (5 -28 мкм ) состоит из камеры с датчиком, имеющим разрешение 1024×1024 пикселя , и спектрографа .

MIRI состоит из трёх массивов мышьяко -кремниевых детекторов. Чувствительные детекторы этого прибора позволят увидеть красное смещение далёких галактик , формирование новых звёзд и слабо видимые кометы , а также объекты в поясе Койпера . Модуль камеры предоставляет возможность съёмки объектов в широком диапазоне частот с большим полем зрения, а модуль спектрографа обеспечивает спектроскопию среднего разрешения с меньшим полем зрения, что позволит получать подробные физические данные об удалённых объектах.

Номинальная рабочая температура для MIRI - 7 . Такая температура не может быть достигнута использованием только пассивной системы охлаждения. Вместо этого, охлаждение производится в два этапа: установка предварительного охлаждения на основе пульсационной трубы охлаждает прибор до 18 К , затем теплообменник с адиабатическим дросселированием (эффект Джоуля - Томсона) понижает температуру до 7 К .

MIRI разрабатывает группа под названием MIRI Consortium, состоящая из ученых и инженеров из стран Европы, команды сотрудников Лаборатории реактивного движения в Калифорнии и учёных из ряда институтов США .

FGS/NIRISS

Датчик точного наведения (FGS ) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (NIRISS ) будут упакованы вместе в «Уэббе», но по сути это два разных устройства . Оба устройства разрабатываются Канадским космическим агентством , и они уже получили прозвище «канадские глаза» по аналогии с «канадской рукой ». Этот инструмент уже прошел интегрирование со структурой ISIM в феврале 2013 года.

Датчик точного наведения

Датчик точного наведения (FGS ) позволит «Уэббу» производить точное наведение, чтобы он мог получать изображения высокого качества.

Камера FGS может формировать изображение из двух смежных участков неба размером 2,4×2,4 угловых минуты каждый, а также считывать информацию 16 раз в секунду с небольших групп пикселей размером 8×8, чего достаточно для нахождения соответствующей опорной звезды с 95-процентной вероятностью в любой точке неба, включая высокие широты.

Основные функции FGS включают в себя:

  • получение изображения для определения положения телескопа в пространстве;
  • получение предварительно выбранных опорных звёзд;
  • обеспечение системы управления положением англ. Attitude Control System измерениями центроида опорных звёзд со скоростью 16 раз в секунду.

Во время вывода на орбиту телескопа FGS также будет сообщать об отклонениях при развёртывании главного зеркала.

Устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф

Устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (NIRISS ) работают в диапазоне 0,8 -5,0 мкм и является специализированным инструментом с тремя основными режимами, каждый из которых работает с отдельным диапазоном.

NIRISS будет использоваться для выполнения следующих научных задач:

  • получение «первого света »;
  • обнаружение экзопланет ;
  • получение их характеристик;
  • транзитная спектроскопия.

См. также

Примечания

Примечания

Сноски

  1. Jim Bridenstine on Twitter: "The James Webb Space Telescope will produce first of its kind, world-class science. Based on recommendations by an Independent Review Board, the n...
  2. With further delays, Webb telescope at risk of seeing its rocket retired | Ars Technica
  3. https://www.ama-science.org/proceedings/details/368
  4. NASA Completes Webb Telescope Review, Commits to Launch in Early 2021 (англ.) . NASA (27 June 2018). Дата обращения 28 июня 2018.
  5. Icy Moons, Galaxy Clusters, and Distant Worlds Among Selected Targets for James Webb Space Telescope (неопр.) (15 июня 2017).
  6. https://nplus1.ru/news/2017/06/16/webb-telescope (неопр.) (16 июня 2017).
  7. Webb Science: The End of the Dark Ages: First Light and Reionization (неопр.) . НАСА . Дата обращения 18 марта 2013. Архивировано 21 марта 2013 года.
  8. Щепотка бесконечности (неопр.) (25 марта 2013). Архивировано 4 апреля 2013 года.
  9. «Кеплер» нашел десять новых возможных двойников Земли (неопр.) (19 июня 2017).
  10. NASA’s Webb Telescope Will Study Our Solar System’s “Ocean Worlds” (неопр.) (24 августа 2017).
  11. Berardelli, Phil . Next Generation Space Telescope will peer back to the beginning of time and space , CBS (27 октября 1997).
  12. The Next Generation Space Telescope (NGST) (неопр.) . University of Toronto (27 ноября 1998).
  13. Reichhardt, Tony. US astronomy: Is the next big thing too big? (англ.) // Nature. - 2006. - March (vol. 440 , no. 7081 ). - P. 140-143 . - DOI :10.1038/440140a . - Bibcode : 2006Natur.440..140R .
  14. Cosmic Ray Rejection with NGST (неопр.) .
  15. MIRI spectrometer for NGST (неопр.) (недоступная ссылка) . Архивировано 27 сентября 2011 года.
  16. NGST Weekly Missive (неопр.) (25 апреля 2002).
  17. NASA Modifies James Webb Space Telescope Contract (неопр.) (12 ноября 2003).

Вы могли поближе познакомиться с телескопом Хаббл. А это нас ждет в ближайшем будущем!=)


Космический телескоп имени Джеймса Уэбба - орбитальная инфракрасная обсерватория, которая предположительно заменит космический телескоп «Хаббл».

Первоначально назван «Космический телескоп нового поколения». В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1902-1992), возглавлявшего агентство в 1961-1968 годах.

«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр зеркала «Хаббла» - 2,4 метра) и солнечным щитом размером с теннисный корт.

Будет размещён в точке Лагранжа L2 системы Солнце - Земля.


Точка L2 в системе Солнце - Земля является идеальным местом для строительства орбитальных космических обсерваторий и телескопов. Поскольку объект в точке L2 способен длительное время сохранять свою ориентацию относительно Солнца и Земли, производить его экранирование и калибровку становится гораздо проще. Однако эта точка расположена немного дальше земной тени (в области полутени), так что солнечная радиация блокируется не полностью. В этой точке уже находятся аппараты американского и европейского космических агентств - WMAP, «Планк», «Гершель» и Gaia, а в 2018 должен присоединиться «Джеймс Уэбб».

Проект представляет собой международное сотрудничество 17 стран, во главе которых стоит NASA, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.

Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5» в 2018 году.

Модель ракеты в музее авиации и космоса, Франция

Первичными задачами JWST являются: обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также «Уэбб» сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной (период истории Вселенной между 150 млн лет и 800 млн лет после Большого Взрыва) и что её вызвало.

Телескоп должен оказаться в состоянии обнаружить относительно небольшие планеты – в несколько раз больше Земли – что не может сделать «Хаббл». Кроме того, «Вебб» будет иметь более высокую чувствительность к атмосферам близких к Земле звезд. Телескоп сможет дать снимки крупным планом планет Солнечной системы, от Марса и далее. Большая яркость Венеры и Меркурия лежит за пределами оптики телескопа.

Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет (в два раза дальше, чем Сириус). В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря JWST ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет (что будет являться недостижимым показателем ни для одного наземного и орбитального телескопа вплоть до начала 2020-х годов, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м).

Изготовление оптической системы

Проблемы

Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далёких галактик. Простое изготовление зеркала подобного зеркалу телескопа «Хаббл», но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл» на единицу площади.

Разработка и испытания

НАСА приступили к исследованию новых способов создания зеркала для телескопа. Для этого была создана программа Advanced Mirror System Demonstrator, по сути являющаяся 4-летним сотрудничеством между НАСА, Национальным управлением военно-космической разведки США и Военно-воздушными силами США. На основе исследований были построены и испытаны два тестовых зеркала. Одно из них было сделано из бериллия компанией Ball Aerospace & Technologies, другое - построено фирмой Kodak (ныне - ITT) из специального стекла.


Зеркало «Хаббла» (слева) и «Уэбба» (справа) в одном масштабе

Группа экспертов протестировала оба зеркала, чтобы определить, насколько хорошо они выполняют свою задачу, сколько стоят и насколько легко (или трудно) было бы построить полноразмерное, 6,5-метровое зеркало. Эксперты рекомендовали зеркало из бериллия для телескопа Джеймса Уэбба по нескольким причинам, одна из которых - бериллий сохраняет свою форму при криогенных температурах. На основе рекомендаций экспертов компания Northrop Grumman выбрала зеркало из бериллия, и Центр космических полётов Годдарда утвердил это решение.

Также было решено сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе Ариан-5. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов зеркала составляет 1,32 метра от грани до грани, а масса сегмента - 20 кг.

Шестиугольная форма сегментов была выбрана не случайно. Она обладает высоким коэффициентом заполнения и имеет симметрию шестого порядка. Высокий коэффициент заполнения означает, что сегменты подходят друг к другу без зазоров. Симметрия же хороша тем, что нужно только 3 разные оптические настройки для 18 сегментов, 6 сегментов на каждую. Наконец, желательно, чтобы зеркало имело форму близкую к круговой для максимально компактного фокусирования света на детекторах. Овальное зеркало, например, даст вытянутое изображение, а квадратное пошлёт много света из центральной области.

После запуска и сопутствующих ему вибраций массив зеркал должен быть развернут в то, что конструкторы называют «предварительным положением». Этот процесс предполагает освобождение каждого из 18 сегментов основного зеркала от пусковых захватов. Каждый сегмент имеет компьютерное управление положением с шестью степенями свободы, кроме того, компьютер управляет выдвижением/втягиванием центральной точки каждого зеркала для изменения радиуса кривизны поверхности. Каждое зеркало обладает своей системой приводов для осуществления этих движений. После того как положение зеркал будет разблокировано, приводы должны выровнять их положение по линии «фронта волны» с допуском в 20 нанометров (1/5000 толщины волоса).

Производство

Для зеркала «Уэбба» используется особый тип бериллия. Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.


Процесс формирования зеркала начинается с вырезания излишков материала на оборотной стороне бериллиевой заготовки таким образом, что остаётся тонкая рёберная структура. Передняя же сторона каждой заготовки сглаживается с учётом положения сегмента в большом зеркале.


Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.

По завершению обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6-29 мкм, и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах.

Оборудование

JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:

Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera);

Камера ближнего инфракрасного диапазона является основным блоком формирования изображения «Уэбба» и будет состоять из массива ртутно-кадмиево-теллуровых детекторов. Рабочий диапазон прибора составляет от 0,6 до 5 мкм.

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (Mid-Infrared Instrument);

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения состоит из камеры и спектрографа, которые «видят» свет в среднем диапазоне инфракрасного излучения 5-28 мкм.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph);

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона будет анализировать спектр источников, что позволит получать информацию как о физических свойствах исследуемых объектов, например, температуру и массу, так и о их химическом составе. NIRSpec способен делать спектроскопию среднего разрешения в диапазоне длин волн 1-5 мкм и низкого разрешения с длиной волны 0,6-5 мкм.

Датчик точного наведения c устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).

Если удастся удержать график постройки, то новый телескоп войдет в строй до прекращения работы космического телескопа «Хаббл». «Перспектива одновременной работы «Хаббла» и «Вебба» очень интересна, так как их возможности во многих отношениях дополняют друг друга», — говорит Джон Гарднер, Центр космических полетов имени Годдарда.

Интересный обзор фотографий собран на этом сайте!

Некоторая информация взята с сайта http://sci-lib.com