Огромное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба развернуто

Огромное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба развернуто

24 апреля 1990 года на круговую орбиту высотой 560 км был выведен 12‑тонный аппарат длиной 13 и диаметром 4,3 м. Стоимость этого высокотехнологичного агрегата превысила 1,5 млрд долларов. Догадались, о чём идёт речь? Конечно, о знаменитом «Хаббле». Сегодня ему на смену готовят ещё более грандиозный телескоп…

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(39). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Джеймс Эдвин Уэбб

Американский государственный деятель, оказавший огромное влияние на становление космического агентства NASA. Возглавлял его в самый напряжённый период космической гонки — с 1961 по 1968 год. Под руководством Уэбба реализовано более 75 миссий. Самой значимой считается программа «Аполлон», в разгар которой на NASA работали 35 000 собственных сотрудников и более 400 000 подрядчиков — в 20 000 компаний и университетов США. Кульминацией программы стала высадка человека на Луну 20 июля 1969 года в ходе полёта «Аполлона-11».

Телескоп «Хаббл» — довольно стандартный телескоп-рефлектор системы Кассегрена с главным зеркалом диаметром всего 2,4 м. Формально ему далеко, например, до телескопа имени Хейла (5,08 м; обсерватория Маунт-Паломар, США), советского БТА (6 м) или современных оптических «чудовищ» вроде Very Large Telescope в чилийской пустыне Атакама. И всё же «Хаббл» настолько хорош, что NASA не смутили затраты на организацию аж четырёх ремонтных миссий! За 28 лет орбитальный телескоп сделал миллионы высококачественных снимков десятков тысяч небесных объектов, передавая ежедневно на Землю до 15 гигабайт данных. Откуда такая эффективность?

«Хаббл» работает в космосе и потому не подвержен капризам земной атмосферы. А вышеупомянутый «Хейл» в наши дни практически не используется из-за близости к Лос-Анджелесу с его сотнями тысяч автомобилей, аэропортами, заводами, тепловыми станциями и свалками мусора, который периодически сжигают. Всё это не делает воздух чище и прозрачней.

Астроном Жорж ван Бисбрук наблюдает за звёздами в 40‑дюймовый рефрактор Кларка. Обсерватория Чарлза Йеркса, 1926 год.

Главнейшее качество телескопа — способность собирать много света. Например, диаметр зрачка человеческого глаза даже в полной темноте не превышает 8–9 мм. Следовательно, телескоп собирает света во столько же раз больше, во сколько раз площадь объектива превышает площадь зрачка. Это позволяет наблюдать удалённые и слабые космические объекты. Поэтому «гонка» телескопов идёт по двум направлениям: инженеры увеличивают как диаметр объектива, так и его фокусное расстояние.

Самая большая проблема при создании больших линз — трудность их обработки. Известному английскому оптику Джону Доллонду, работавшему в середине XVIII века, ценой больших усилий удалось достичь предела в 4 дюйма (10 см). Немцам Йозефу Фраунгоферу и его ученикам Мерцу и Малеру покорились гигантские по тем временам 15- и 18‑дюймовые рефракторы, долгое время остававшиеся самыми совершенными астрономическими приборами. Но самый большой телескоп-рефрактор (наблюдательный прибор, использующий линзы, которые преломляют свет) построил американец Альван Кларк с сыновьями. Сорокадюймовый рефрактор, созданный в 1897 году для обсерватории имени Чарлза Йеркса, поныне остаётся крупнейшим в мире телескопом этого типа.

Линза объектива за счёт искривления лучей света создаёт действительное уменьшенное обратное изображение бесконечно удалённого предмета.

Линза окуляра работает как лупа, в которую рассматривается изображение с линзы объектива.

Между тем уже в XVII веке на свет появился будущий «убийца рефракторов» — телескоп, который не преломлял, а отражал лучи света. Работы Н. Цукки, М. Мерсена, Д. Грегори и Г. Кассегрена послужили теоретическим фундаментом для создания в 1668 году первого рефлектора. Сконструировал его сам Исаак Ньютон! Инструмент, впрочем, вышел очень неказистый: дюймовое вогнутое зеркало с фокусным расстоянием всего 6,5 см было изготовлено из полированной бронзы. Следующий телескоп, построенный сэром Исааком через три года, имел бронзовое параболическое зеркало диаметром 1,3 дюйма и фокусное расстояние 16 см.

Качество первых рефлекторов оставляло желать лучшего, но сразу выяснилось, что зеркальные телескопы лишены хроматической аберрации, то есть оптических искажений. Уже поэтому рефлекторам было суждено вытеснить линзовые телескопы. А если добавить сравнительную простоту изготовления зеркал, то становится понятно: у традиционных рефракторов не было шансов.

Первый же астроном, использовавший рефлекторы с зеркалами большого диаметра, вписал своё имя в историю науки! 2500 туманностей, свыше 800 двойных звёзд, наиподробнейшие каталоги небесных объектов, наконец, открытие ещё одной планеты Солнечной системы — Урана. Всё это достижения Вильяма Гершеля, человека, который из скромного музыканта и любителя астрономии за считаные годы превратился в самого авторитетного учёного своего времени, облечённого званием «астроном Его Величества короля Англии Георга».

Маунт-Паломарская обсерватория, зеркало телескопа Хейла

Крупнейший рефлектор, построенный Гершелем в 1789 году, имел металлическое зеркало диаметром 122 см (48 дюймов). Металлический диск из сплава меди и олова толщиной 9 см весил около тонны. Cерьёзным недостатком металлических зеркал было сравнительно быстрое «старение» рабочей поверхности: полировка тускнела, на металле появлялись трещины. Поэтому в дальнейшем металл в качестве материала для зеркал не использовался. В конце XIX века работы физиков Л. Фуко, Ю. Либиха и К. Штейнгейля позволили найти удачные способы серебрения стеклянных поверхностей. Фильм — так называлась серебряная плёнка — отражал в два раза больше света, чем металлические поверхности. Поэтому при прочих равных стеклянные зеркала были намного «зорче».

Современные телескопы — квинтэссенция технологических и научных достижений. Многометровые сегментные зеркала; активная оптика (компьютеры постоянно следят за конфигурацией зеркал и при необходимости регулируют их положение); лазерные системы адаптации, учитывающие состояние атмосферы; криогенная электроника, обрабатывающая очень слабые сигналы, уровень которых сравним с собственными шумами «тёплых», то есть работающих при нормальной температуре, усилителей, — это далеко не полный перечень «изюминок» нынешней аппаратуры. Сегодня ни один астроном-профессионал не смотрит в окуляр, оставляя это удовольствие героям романтических комедий и просто любителям разглядывать звёздные россыпи. В небо «смотрят» много-много-мегапиксельные фотокамеры ценой в несколько самолётов!

Главные зеркала телескопа «Хаббл» (2,4 м) и телескопа Джеймса Уэбба (6,5 м) в сравнении с человеческим ростом (1,75 м)

Но фундаментально телескопы остаются всё теми же старыми добрыми «ньютонами» и «кассегренами», которым, как и во времена Галилея и Гершеля, очень мешает атмосфера. Все эти восходящие и нисходящие потоки, ветры, температурные градиенты существенно влияют на качество получаемых изображений, сводя на нет ухищрения конструкторов и астрономов.

Решить эту проблему просто: надо «убрать» атмосферу, то есть запустить телескоп в космос. Впервые оптический телескоп был выведен на околоземную орбиту в апреле 1968 года советским спутником «Космос-215». Также стоит упомянуть «Союз-13» с орбитальной астрономической обсерваторией «Орион-2», запущенный в 1975 году. За пять дней «Орион-2», снабжённый 24‑сантиметровым менисковым телескопом системы Максутова, провёл спектрографирование нескольких тысяч звёзд и планетарных туманностей.

Но астрономам хотелось большего — чтобы на орбите постоянно работал настоящий крупный телескоп. В 1990 году в истории оптической астрономии началась эра «Хаббла». И, наверное, не было ещё научного инструмента, столь открытого для массовой аудитории, как летающий в небе «кассегрен» стоимостью в полтора миллиарда.

Между тем сменщик «Хаббла», космический телескоп имени Джеймса Уэбба, который по плану должен был приступить к работе ещё в 2014 году, будет инфракрасным. И такое решение более чем обоснованно. Более половины значимых астрономических и астрофизических открытий, сделанных за последние 25 лет, так или иначе связаны с исследованиями вне видимого спектра. Инфракрасная часть в этом отношении представляет собой очень перспективное поле. Убедиться в этом (хотя бы косвенно) можно на основе следующего факта: плотность фотонов реликтового излучения в инфракрасном диапазоне в 1000 раз больше, чем в оптическом.

И не забудьте про красное смещение! Свойства Вселенной таковы, что чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он удаляется (количественно эта закономерность отражается постоянной Хаббла, равной 66,93 (км/c)/МПк). А чем быстрее «убегает» звезда или галактика, тем сильнее спектр её излучения смещается в сторону более длинных волн. Из этого следует, что инфракрасный телескоп теоретически может «увидеть» такие далёкие объекты, которые невозможно наблюдать в видимой части спектра. По расчётам, «Джеймс Уэбб» сможет разглядеть галактики, удалённые от нас на умопомрачительное расстояние в 13,8 миллиарда световых лет.

Это и есть основная цель миссии JWST (James Webb Space Telescope). В космос отправится целый комплекс оборудования, в котором телескоп имени Джеймса Уэбба займёт место главного, но не единственного инструмента. Лучшим местом для астрономической обсерватории нового поколения специалисты сочли так называемую вторую точку Лагранжа L2, удалённую от Земли на полтора миллиона километров (почти в четыре раза дальше Луны). Расположенный на линии Земля — Солнце, этот участок пространства интересен тем, что силы притяжения здесь взаимно компенсируются. Таким образом, шеститонный аппарат практически неподвижно зависнет в точке Лагранжа, и любой объект небесной сферы всегда будет доступен для наблюдений.

Удалённость от Земли поможет принимать инфракрасное излучение без помех, сведя на нет тепловое загрязнение от нашей планеты. По расчётам, рабочая температура JWST не превысит 50 К (–223 °С). Для главного зеркала диаметром 6,5 м разработчики применили популярный «сотовый» принцип, по которому построены все современные супертелескопы: оно состоит из 18 позолоченных сегментов, которые раскроются после вывода аппарата на орбиту. Золото применено здесь не для красоты, а для лучшего отражения инфракрасного излучения с длиной волны от 0,6 до 28,5 микрометра. Да и потратили его немного — менее 50 грамм при толщине напыления 100 нанометров. Мощная компьютерная система корректирует положение каждого сегмента. По утверждению Марка Бергланда, управляющего программой JWST в компании Ball Aerospace, «несмотря на свою сложность, такое решение позволяет нам ожидать безотказной работы телескопа».

Но не всё так просто. Амбициознейший проект, способный во многом изменить наши представления о Вселенной, стал напоминать чемодан без ручки: в феврале представители NASA сообщили, что запуск телескопа откладывается в очередной (уже в пятнадцатый) раз и переносится на март 2021 года. Работы над JWST, начавшиеся ещё в прошлом столетии и оцениваемые тогда в полмиллиарда долларов, не окончены до сих пор, а их стоимость выросла на порядок. Телескоп превратился в бездонную бочку, требующую денег, денег и ещё раз денег. Гигантский перерасход средств повлиял на другие астрофизические проекты NASA, в первую очередь проект WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) — широкодиапазонный инфракрасный телескоп следующего поколения, который планируется вывести в космос в середине 2020‑х. А следующая астрофизическая миссия NASA — большая ультрафиолетовая космическая обсерватория с 15‑метровым зеркалом — рискует просто перейти в разряд прожектов.

Запуск «Уэбба» переносится с 2007 года. При этом бюджет проекта вырос с 0,5 до 9,66 млрд долларов. По последним данным, старт намечен на 2021 год.

Профессор Брайан Китинг из Центра астрофизики и космологии в Университете Калифорнии (Сан-Диего, США) с горечью заметил: «”Уэбб” может стать телескопом, который убьёт астрофизику NASA». А обозреватель авторитетного журнала Nature Ли Биллингс в октябрьском номере за 2010 год и вовсе озаглавил статью о многострадальном проекте «Телескоп, который сожрал астрономию» (The Telescope that ate astronomy).

Хочется всё же надеяться, что рано или поздно «Джеймс Уэбб» достигнет точки Лагранжа, развернёт 22‑метровые солнечные батареи, укроет тонкие и чувствительные инструменты от палящего жара Солнца за огромным тепловым экраном (с ним-то у инженеров и возникли наибольшие технические сложности) и начнёт работу. И вполне может случиться, что фантастические картины, увиденные «Хабблом», покажутся сущим пустяком по сравнению с тайнами мироздания, завесу над которыми приоткроет телескоп имени Джеймса Уэбба.