# Телескоп Джеймса Уэбба: как за 10 миллиардов долларов заглянуть в прошлое Вселенной

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=gk_-Z_a3Ar4
Канал: Event Horizon
Опубликовано: 26.08.2021

---

Космический телескоп Джеймса Уэбба готовится к своему историческому запуску, который откроет принципиально новую эпоху в астрофизике. Научный сотрудник проекта доктор Клаус Понтоппидан (Klaus Pontoppidan) в интервью каналу Event Horizon подробно рассказал о сложнейшем процессе развертывания обсерватории, поиске биосигнатур и изучении «молекулярной вселенной». Новейший инфракрасный инструмент стоимостью 10 миллиардов долларов позволит заглянуть в самые потаенные уголки космоса — от атмосфер экзопланет до мест слияния нейтронных звёзд.

## 🚀 На пороге запуска: финальные шаги и логистика
[[JUMP:03:28]]

Все основные компоненты космического корабля уже полностью собраны, и инженеры завершают последние приготовления. По словам Клауса Понтоппидана, Европейское космическое агентство (ESA) уже отправило вторую ступень ракеты-носителя Ariane 5 на космодром Куру во Французской Гвиане, который считается наиболее удобным стартовым комплексом. Главным сдерживающим фактором на данный момент остается еще один запланированный запуск ракеты Ariane 5, предшествующий миссии James Webb Space Telescope. Предыдущий старт прошел полностью успешно после небольшой паузы, потребовавшейся для решения технических проблем с носителем.

График подготовки включает следующие этапы:

* Транспортировка самой обсерватории к месту старта.
* Интеграция телескопа с ракетой-носителем Ariane 5.
* Окончательная проверка всех систем перед стартом.

На подготовку ракеты после предыдущего запуска уходит около двух месяцев, и в текущем манифесте дата старта намечена на 15 октября. Точную неделю или день назвать пока трудно, но специалисты ориентируются именно на этот временной отрезок.

## 🛠️ Шесть месяцев в темноте: развёртывание и калибровка
[[JUMP:05:11]]

Перед тем как ученые получат первые научные данные, обсерватории предстоит пройти беспрецедентно долгий период подготовки, который займет шесть месяцев. Сразу после старта аппарат направится к точке Лагранжа L2, расположенной на расстоянии около 1,5 миллиона километров от Земли за орбитой Луны. Это место выбрано из-за его стабильности и удаленности от теплового излучения Земли и Луны. Поскольку James Webb Space Telescope работает в инфракрасном диапазоне, его главное зеркало должно быть охлаждено до криогенной температуры около 50 Кельвинов (минус 270 градусов Цельсия). Охлаждение должно проходить в строго контролируемом режиме в течение нескольких недель полета.

Процесс усложняется тем, что телескоп слишком велик для обтекателя ракеты Ariane 5 и складывается подобно оригами.

Основные элементы трансформации в космосе:

* Развертывание основного 6,5-метрового зеркала, состоящего из 18 шестиугольных сегментов, шесть из которых сложены за центральной частью.
* Раскрытие огромного пятислойного солнцезащитного щита, который оберегает научную аппаратуру от нагрева Солнцем.
* Фокусировка зеркала с помощью крошечных шагов актуаторов с нанометровой точностью.

Клаус Понтоппидан подчеркивает, что операции такого масштаба никогда прежде не проводились в космическом пространстве. Сначала инженеры сфокусируют каждый из 18 сегментов по отдельности, используя опорные звезды, а затем сведут их воедино для получения идеального изображения. На эту процедуру уйдет до двух месяцев, после чего начнется тестирование четырех научных инструментов, поддерживающих в общей сложности от 16 до 18 различных режимов работы, включая спектроскопию. Ждать первых по-настоящему впечатляющих снимков стоит не ранее чем через полгода после старта.

## 💨 Солнечный парус и ограниченный ресурс: физика полёта
[[JUMP:08:27]]

Большая площадь солнцезащитного экрана создает неожиданную проблему: солнечное излучение оказывает заметное давление на обсерваторию, заставляя ее работать подобно солнечному парусу. Это давление создает вращающий момент, направление которого постоянно меняется в зависимости от того, куда нацелен телескоп. Поскольку в течение года James Webb Space Telescope будет осматривать все участки неба, этот эффект не компенсируется сам по себе и постепенно накапливает угловой момент. Накопленную инерцию гасят гироскопы (маховики) внутри аппарата, однако они со временем раскручиваются до своего технологического предела.

Для перезапуска маховиков и сброса углового момента требуются регулярные включения ракетных двигателей. Именно запас топлива для этих двигателей и удержания аппарата на орбите вокруг точки L2 определяет общий срок службы миссии. Официальное требование к проекту составляет 5 лет научной работы, однако Клаус Понтоппидан отмечает, что топлива гарантированно хватит минимум на 10 лет, а при идеальном выводе на орбиту этот срок может быть существенно увеличен.

В отличие от «Хаббла», находившегося на низкой околоземной орбите, James Webb Space Telescope принципиально не рассчитан на ремонтные миссии. По мнению гостя, обслуживание этого телескопа силами космонавтов невозможно из-за его экстремально низких температур — к элементам конструкции нельзя даже прикоснуться. Тем не менее ученый считает, что будущие флагманские космические обсерватории должны проектироваться с возможностью сервисного обслуживания.

## 🌌 Молекулярная вселенная и тайны килоновых
[[JUMP:11:15]]

Главное преимущество работы в инфракрасном спектре заключается в возможности исследовать так называемую «холодную молекулярную вселенную». Наземные обсерватории жестко ограничены земной атмосферой, водяной пар и углекислый газ в которой поглощают инфракрасный свет. Чтобы детально изучать такие важные для зарождения жизни соединения, как вода, метан и диоксид углерода, необходимо выходить в космос.

Астроном объясняет это на примере эволюции нашей Солнечной системы:

* Земля формировалась в той зоне протопланетного диска, где температуры были слишком высоки для конденсации водяного льда.
* Все летучие элементы и вода должны были быть доставлены на планету позже — посредством бомбардировки кометами или астероидами.
* Азот, являющийся основой нашей атмосферы, испытывал колоссальный дефицит при формировании Земли — лишь один из миллиона атомов азота в итоге остался на планете.

По словам Клауса Понтоппидана, James Webb Space Telescope сможет измерять молекулярный состав планетарных дисков на расстоянии от 1 до 10 астрономических единиц от родительских звезд, отвечая на фундаментаческий вопрос: является ли Земля уникальной аномалией или рядовым явлением в космосе.

Еще одним революционным направлением станут исследования килоновых (kilonova) — колоссальных столкновений нейтронных звезд, фиксируемых гравитационно-волновыми детекторами вроде LIGO. Ученые предполагают, что именно в таких катастрофических событиях рождается большая часть тяжелых и драгоценных элементов Вселенной, включая золото и платину. Телескоп будет оперативно наводиться на координаты взрывов для анализа расширяющегося облака осколков. Гость поясняет, что в остывающих остатках килоновых, аналогично остаткам сверхновых, происходит активное формирование твердых пылинок, которые затем рассеиваются в межзвездной среде и входят в состав будущих планет. Согласно текущим научным моделям, килоновые могут быть доминирующим источником золота во Вселенной, и James Webb Space Telescope призван подтвердить или опровергнуть эту гипотезу путем прямого измерения темпов производства элементов.

## 👁️ Сравнение с Хабблом и «невидимые» цвета вселенной
[[JUMP:18:25]]

Диаметр зеркала легендарного «Хаббла» равен 2,4 метра, тогда как шестиугольное зеркало James Webb Space Telescope достигает 6,5 метров по самой длинной стороне — оно почти в три раза больше. В области перекрытия длин волн чувствительность нового аппарата будет выше примерно пропорционально разнице площадей зеркал (примерно в 10 раз). Однако в глубоком инфракрасном диапазоне, недоступном для «Хаббла», сравнение идет с небольшим космическим телескопом Spitzer (который меньше почти в 10 раз) или с наземными системами. Из-за теплового свечения самой Земли и ее атмосферы наземные инфракрасные телескопы вынуждены вести наблюдения в условиях, эквивалентных яркому солнечному дню. Понтоппидан приводит поэтичную аналогию:

> «Представьте вид, который прожил всю жизнь на дневной стороне планеты и никогда не видел ночи. И вдруг они отправляются на ночную сторону со своим телескопом и обнаруживают, что небо усыпано звездами и Млечным Путем. Это и есть разница в чувствительности — в некоторых областях она вырастет в 100 и даже 1000 раз».

Такой скачок параметров открывает зону чистого научного поиска, где результаты невозможно предугадать. В то же время для изучения экстремально горячих сред, например, внутренней части аккреционного диска черной дыры, инструмент подходит меньше — такие объекты светятся в рентгеновском излучении и требуют специализированных рентгеновских обсерваторий. Тем не менее James Webb Space Telescope сможет заглянуть сквозь плотные пылевые облака в центрах галактик (включая Млечный Путь) и детально изучить окружающую черные дыры среду и области бурного звездообразования.

Технологические различия между зеркалами «Хаббла» и «Уэбба» огромны:

* Зеркало James Webb Space Telescope покрыто чистым золотом весом всего в одну унцию (около 28 граммов), напыленным тончайшим слоем, поскольку золото идеально отражает инфракрасные волны.
* Основа зеркала выполнена не из стекла, а из бериллия. Этот материал не растрескивается и сохраняет стабильную форму при температуре около минус 240 градусов Цельсия.
* Бериллий невероятно легок. В результате общая масса James Webb Space Telescope составляет лишь чуть больше половины веса «Хаббла», несмотря на троекратное превосходство в размере зеркала.

Толщина бериллиевого основания сегментов составляет около 10 дюймов (25 сантиметров). При этом инструмент MIRI (средний инфракрасный диапазон) требует еще более суровых условий — он активно охлаждается с помощью замкнутого хладагента до экстремальных 6 Кельвинов. Для компенсации тепловых деформаций телескоп оснащен системой активной оптики: инженеры планируют примерно раз в две недели корректировать форму сегментов зеркала с помощью поршней-актуаторов на его тыльной стороне.

## 🪐 Экзопланеты, биосигнатуры и «зоопарк» новых миров
[[JUMP:23:56]]

Основным методом изучения атмосфер далеких планет станет транзитный метод. Когда экзопланета проходит перед диском своей звезды, свет последней фильтруется через газовую оболочку планеты. Молекулы газов поглощают строго определенные длины волн, оставляя уникальные «отпечатки» в спектре. Аналогично, когда планета скрывается за звездой (затмение), ученые фиксируют разницу в общем тепловом потоке, что позволяет бесконтактно измерить точную температуру планеты. По словам Клауса Понтоппидана, подтверждение комнатной температуры в 300 Кельвинов на скалистом объекте станет грандиозным успехом для понимания обитаемости. Под эту задачу выделено от 15% до 20% всего наблюдательного времени в первый год работы.

Изучение планет разделится на два направления:

1.  **Простые цели (горячие юпитеры):** благодаря огромным размерам этих газовых гигантов, James Webb Space Telescope сможет собрать данные об их атмосферах с ювелирной точностью, раскрывая фундаментальную химию и физику планетных систем.
2.  **Сложные цели (каменистые планеты земного типа):** поиск потенциально обитаемых миров будет проходить на пределе технологических возможностей телескопа, но ученые рассчитывают получить первые весомые результаты.

Клаус Понтоппидан выдвигает интригующую гипотезу: в отличие от звезд, которые формируются по относительно стандартным сценариям гравитационного коллапса и классифицируются по массе и возрасту, формирование планет — процесс сугубо стохастический (случайный). В протопланетных дисках действуют хаотичные механизмы, напоминающие не устойчивый климат, а непредсказуемую погоду. Взаимодействие зарождающихся планет друг с другом может радикально менять их финальный состав. По мнению гостя, человечество столкнется с невероятным «зоопарком» планет, где каждый мир окажется уникальной «снежинкой», что поставит под сомнение саму возможность их строгой классификации.

Программа первого года формировалась органически: треть времени зарезервирована за создателями приборов, а две трети распределены по конкурсу через независимое рецензирование (peer review). Распределение целей оказалось удивительно равномерным — телескоп будет изучать объекты вокруг звезд всех типов: от холодных красных М-карликов до массивных светил, а температурный диапазон исследуемых планет варьируется от пары сотен Кельвинов до экстремальных 1500 Кельвинов.

## ☄️ Межзвёздные странники и динамическое расписание
[[JUMP:31:56]]

Расписание обсерватории гибко адаптировано под внезапные космические события. Существует два механизма работы с транзиентами: программы «целей по возможности» (Target of Opportunity), бронируемые заранее под предсказуемые явления (например, вспышки сверхновых или килоновых), и директорское дискреционное время (Director's Discretionary Time). Директор Института исследований космоса с помощью космического телескопа (STScI) может оперативно перенаправить зеркало на уникальный объект по срочному запросу научного сообщества.

Огромные надежды ученый возлагает на обнаружение межзвёздных объектов, подобных Оумуамуа или комете Борисова. Ожидается, что с запуском наземной Обсерватории Веры Рубин астрономы начнут находить как минимум по одному такому объекту в год. Если объект окажется в зоне видимости, James Webb Space Telescope сможет провести революционные измерения. При исследовании малых тел Солнечной системы в видимом свете астрономы видят лишь отраженный солнечный свет, который сильно искажается из-за вращения, кратеров и неоднородного цвета поверхности. На длинных волнах в мид-инфракрасном диапазоне телескоп зафиксирует собственное тепловое излучение межзвёздного странника, что позволит безошибочно определить его реальную форму и точные размеры. Более того, приборы смогут замерить состав замерзших летучих веществ прямо на поверхности тела еще до того, как тепло Солнца вызовет кометную активность и дегазацию.

Астроном делится глобальной космологической концепцией:

> «Такие окаменелые кометы, блуждающие между звездами, могут представлять собой колоссальный резервуар воды, углерода и кислорода во Вселенной. Протопланетные диски выбрасывают большую часть своего строительного материала за пределы систем. Эти планетезимали остаются инертными, никогда больше не участвуя в цикле рождения новых звезд. Возможно, большая часть воды во Вселенной заперта внутри миллиардов объектов, подобных Оумуамуа».

Параллельно запланированы масштабные инфракрасные исследования внешних рубежей нашей собственной системы: спектроскопия Марса, ледяных гигантов Урана и Нептуна, спутников-океанов Энцелада, Европы и Тритона. Программа спектроскопии транснептуновых объектов позволит без отправки дорогостоящих зондов изучить сотни ледяных тел в поясе Койпера, собирая палеонтологическую летопись ранней Солнечной системы.

## 🔭 Техносигнатуры и цена больших открытий
[[JUMP:48:41]]

Камеры NIRCam и инструмент MIRI оснащены коронографами — специальными экранами, которые физически блокируют слепящий свет родительской звезды, позволяя разглядеть тусклые объекты рядом с ней. Запланированы детальные исследования ближайшей к нам системы Альфа Центавра и Проксимы b на предмет поиска новых скрытых планет. Также телескоп сможет напрямую визуализировать молодые экзопланеты на экстремальном удалении в 100 астрономических единиц от своих звезд — в силу юного возраста они все еще горячи и интенсивно светятся в инфракрасном спектре. James Webb Space Telescope также способен детально исследовать последствия столкновений планет по инфракрасным вспышкам в пылевых дисках, если другие обзорные телескопы вовремя зафиксируют такое событие.

Что касается поисков внеземного разума (SETI) и техносигнатур (например, сфер Дайсона), то Понтоппидан относится к этому скептически, отмечая, что прибор создавался не для этого. Однако поиск биосигнатур — одновременного присутствия в атмосфере неравновесных газов, таких как кислород и метан, которые быстро уничтожают друг друга без биологической подпитки — является ключевым приоритетом.

По мнению Клауса Понтоппидана, James Webb Space Telescope — это проект планетарного масштаба, символизирующий преемственность поколений:

* На этапе проектирования телескопа ученые даже не мечтали об исследовании атмосфер экзопланет.
* Обсерватория позволит «подойти вплотную к двери» открытия внеземной жизни, отработав транзитные методики, но зайти внутрь, вероятно, сможет лишь следующий, еще более масштабный космический проект.
* Создание таких мегаинструментов требует колоссальной концентрации ресурсов. Бюджет James Webb Space Telescope составил 10 миллиардов долларов. Если бы эти деньги разделили на десять мелких миссий по 1 миллиарду, человечество никогда не смогло бы ответить на величайшие вопросы мироздания.

Ведущий Джон Майкл Годье и его гость сошлись во мнении, что, несмотря на все прошлые технические задержки, James Webb Space Telescope обладает потенциалом повторить и превзойти триумф «Хаббла», вновь перевернув представления человечества о космосе и зажгя воображение миллионов людей по всему миру.