Астрофизик NASA Эмбер Строун (Amber Straughn) представила в Периметре (Perimeter Institute) подробный обзор миссии James Webb Space Telescope. Лекция охватывает технологические вызовы, научные цели и то, как новый инструмент изменит наше понимание космоса, заглянув в эпоху «первого света» Вселенной.
🌌 Наследие Hubble и границы познания 4:58
На протяжении почти 27 лет космический телескоп Hubble радикально менял наше представление о Вселенной . Он позволил детально изучить объекты от «космического заднего двора» Солнечной системы до далеких регионов звездообразования в Млечном Пути.
Одним из ключевых достижений Эмбер Строун называет изображение Hubble Ultra Deep Field .
- Метод: Телескоп в течение 11 дней смотрел в одну крошечную точку неба (размером с отверстие для питьевой соломинки).
- Результат: На этом крошечном участке было обнаружено около 10 000 галактик .
- Вывод: Изучая эти изображения, ученые заметили, что галактики в ранней Вселенной сильно отличаются от современных спиральных и эллиптических структур — они выглядят как маленькие бесформенные «красные точки» .
Однако, по словам Эмбер Строун, человечество подошло к пределу возможностей Hubble . Чтобы увидеть то, что находится за «краем» видимости текущих технологий, и был спроектирован James Webb Space Telescope.
🛠 Три фундаментальных отличия James Webb от Hubble 12:34
Эмбер Строун выделяет три ключевых параметра, которые делают James Webb качественным скачком вперед:
- Размер: Если Hubble по размеру сопоставим со школьным автобусом, то James Webb — с теннисным кортом . Его зеркало диаметром 6,5 метров — самое большое из когда-либо отправленных в космос.
- Местоположение: Hubble вращается вокруг Земли на высоте около 550 км. James Webb будет находиться в 1,5 миллионах километров от Земли в точке Лагранжа L2 . Это полустабильная точка, где телескоп будет следовать за орбитой Земли вокруг Солнца.
- Тип света: Hubble — преимущественно оптический телескоп. James Webb — инфракрасный . Это критически важно, так как инфракрасное излучение позволяет «видеть» сквозь облака космической пыли, внутри которых рождаются звезды .
🔭 Четыре научные цели миссии 16:19
NASA ставит перед новым телескопом четыре глобальные задачи, каждая из которых направлена на решение фундаментальных вопросов астрофизики.
1. Первый свет и реионизация
Ученые стремятся увидеть самую первую эпоху формирования галактик после Большого взрыва, произошедшую более 13,5 миллиардов лет назад . В то время Вселенная была заполнена нейтральным водородом, который поглощал свет. Первые галактики должны были «продуть пузыри» в этом тумане, сделав Вселенную прозрачной — этот процесс называется реионизацией .
2. Сборка галактик
Эмбер Строун, чья научная работа посвящена взаимодействующим галактикам, подчеркивает важность изучения того, как маленькие «красные сгустки» ранней Вселенной превратились в гигантские структуры с черными дырами в центрах .
- Исследования проводятся статистически, так как процессы слияния занимают миллиарды лет .
- Телескоп поможет понять, как тяжелые элементы распределялись в космосе в ходе этих процессов.
3. Рождение звезд и протопланетных систем
Инфракрасное зрение позволит заглянуть внутрь туманностей, таких как «Столпы Творения» или туманность Киля . Ученые надеются выяснить:
- Как именно коллапсируют газовые облака, образуя звезды.
- Как окружающая среда влияет на формирование звезд и наоборот.
- Как частицы пыли объединяются, формируя планеты .
4. Экзопланеты и Солнечная система
James Webb сможет проводить транзитную спектроскопию атмосфер далеких планет .
- Метод: Когда планета проходит перед своей звездой, её атмосфера фильтрует звездный свет.
- Цель: По химическим отпечаткам в спектре определить состав атмосферы, наличие воды и потенциальную обитаемость .
- Пример: Система TRAPPIST-1, находящаяся в 40 световых годах от нас, имеет 7 планет земного размера, три из которых находятся в зоне обитаемости . Эмбер Строун считает эту систему идеальной целью для Webb.
🏗 Инженерия: зеркала из бериллия и «золотая пыль» 35:00
Зеркало James Webb состоит из 18 шестиугольных сегментов.
- Материал: Бериллий — легкий и прочный металл, сохраняющий форму при экстремально низких температурах .
- Покрытие: Слой золота толщиной всего в несколько сотен атомов для максимального отражения инфракрасного света.
- Точность: По аналогии Эмбер Строун, если растянуть зеркало до размеров США, самая большая неровность на нем была бы высотой всего в пару дюймов (около 5 см) .
Важнейшим элементом является пятислойный тепловой щит из каптона . Он защищает инструменты от тепла Солнца. Разница температур между «горячей» и «холодной» сторонами щита составляет около 300 градусов Цельсия (600 градусов по Фаренгейту) .
🚀 Логистика и «две недели ужаса» 42:39
Строительство и транспортировка телескопа — беспрецедентная логистическая задача.
- Для перевозки компонентов использовали военно-транспортный самолет C-5 Galaxy. Чтобы доставить детали в Центр Годдарда, пришлось на время перекрывать шоссе в Вашингтоне .
- Телескоп слишком велик для любой существующей ракеты, поэтому он запускается в сложенном состоянии внутри Ariane 5 .
- Процесс развертывания в космосе займет 14 дней. Эмбер Строун называет это «двумя неделями ужаса», так как в системе сотни механизмов, которые должны сработать идеально без возможности ремонта человеком .
💰 Экономика и будущее астрономии 1:07:25
Стоимость проекта составляет около 8 миллиардов долларов . По мнению Строун, хотя это значительная сумма, она оправдана масштабом открытий.
- Для сравнения: стоимость Hubble с учетом миссий по обслуживанию в итоге оказалась выше .
- Согласно опросам, общественность обычно переоценивает бюджет NASA в 20–40 раз, при этом горячо поддерживая подобные миссии .
После James Webb NASA планирует запуск WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope) в середине 2020-х годов . Этот телескоп будет обладать полем зрения в 100 раз шире, чем у Hubble, и сфокусируется на изучении темной энергии и поиске экзопланет .
❓ Вопросы и ответы: от микрометеоритов до мультивселенной 55:08
В ходе дискуссии Эмбер Строун ответила на ряд технических и философских вопросов:
- Защита от пыли: Телескоп неизбежно будет сталкиваться с микрометеоритами. NASA ожидает появления крошечных отверстий в щите и щербин на зеркалах, но статистически это не должно повлиять на работу. Однако столкновение с объектом размером с валун станет «плохим днем» .
- Имя телескопа: Джеймс Уэбб был администратором NASA во времена программы «Аполлон». Именно он настоял на том, чтобы агентство занималось не только ракетами, но и фундаментальной наукой .
- Что за краем Вселенной? Как ученый-наблюдатель, Строун утверждает, что мы не можем этого знать, так как не можем это наблюдать . Она допускает существование Мультивселенной, но отмечает, что это область теоретической физики, а не прямых наблюдений Webb.
- Темная энергия: Эмбер Строун пояснила, что все видимые нами объекты (звезды, галактики) составляют лишь 5% Вселенной . Остальные 95% приходятся на темную материю и темную энергию, природу которых человечество пока не понимает.
