Руководство для начинающих по космическому телескопу Джеймса Уэбба

Здравствуйте, друзья!

Долгожданный космический телескоп Джеймса Уэбба открывает новую эру космических наблюдений.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (Webb Space Telescope) с солнцезащитным козырьком размером с теннисный корт и главным зеркалом длиной 6,5 метров, плоско упакованным внутри ракеты-носителя, как корабль в бутылке, перенял наблюдательную эстафету от предыдущих миссий, таких как космический телескоп «Кеплер», космический телескоп «Спитцер» и, конечно же, невероятный космический телескоп Хаббл.

После запуска JWST пролетел более 1,5 миллионов километров к гравитационно-стабильному аванпосту под названием Лагранж-2 (Lagrange 2, L2).

Он расположен на прямой линии от Солнца до Земли и дальше, поэтому JWST привязан к годовой орбите Земли вокруг Солнца.

Космический телескоп Джеймса Уэбба – в отличие от Хаббла, который вращается вокруг Земли, входя и выходя из нашей тени каждые 90 минут – позволяет беспрепятственно видеть Вселенную.

Однако удаленное расположение нового телескопа также означает, что, в отличие от Хаббла, до него нельзя добраться после запуска, и поэтому миссии, подобные миссиям по обслуживанию Хаббла, невозможны.

Что будет делать космический телескоп Джеймса Уэбба?

JWST будет находиться на уровне L2 в течение следующих 5,5–10 лет, и ученые уже обнаруживают, что он дает нам представление о ранней Вселенной, которую мы никогда раньше не видели.

Вы можете увидеть это на последних изображениях космического телескопа Джеймса Уэбба.

Это один из самых больших и мощных телескопов, который дает нам новое представление о каждом этапе истории Вселенной, от первых пылевых облаков до формирования нашей Солнечной системы.

НАСА, один из партнеров JWST наряду с Европейским космическим агентством (ЕКА) и Канадским космическим агентством, стремится отметить, что JWST является преемником Хаббла, а не его заменой.

Когда 30 лет назад был запущен Хаббл, это был первый оптический телескоп космического базирования, который дал нам беспрецедентные виды Вселенной.

Однако он смотрит на оптический, ультрафиолетовый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн.

Джеймс Уэбб будет смотреть между видимым красным и средним инфракрасным светом, заглядывая гораздо дальше в раннюю Вселенную.

Свет от самых ранних светящихся объектов распространяется так далеко в расширяющейся Вселенной, что к тому времени, когда он достигает нас, его длины волн растягиваются или «смещаются в красную сторону».

Это означает, что самая ранняя Вселенная наблюдаема только в инфракрасной части спектра.

Что откроет космический телескоп Джеймса Уэбба?

Зеркало JWST большего размера позволяет ему собирать в шесть раз больше света, чем Хаббл, а поле зрения в 15 раз превышает площадь камеры и спектрометра ближнего инфракрасного диапазона Хаббла (NICMOS).

Его основная цель — исследовать так называемый «конец темных веков» после Большого взрыва, когда Вселенная начала наполняться «первым светом» от недавно зажженных звезд.

Он должен иметь возможность оглянуться на 100–250 миллионов лет после Большого взрыва.

Но, как и «Хаббл», это также обсерватория общего назначения, которая будет специально изучать рождение и сборку галактик, влияние черных дыр и происхождение жизни.

Ученые надеются, что JWST поможет нам лучше понять размер и геометрию Вселенной, прольет свет на темную материю и темную энергию, а также поможет нам понять окончательную судьбу космоса.

Его высокое разрешение означает, что JWST может дать лучшее представление о Млечном пути и соседних с нами галактиках, «значительно расширив работу, начатую Хабблом», согласно ЕКА.

Точно так же его разрешение позволит ученым увидеть, как формируются планетные системы.

Научные инструменты космического телескопа Джеймса Уэбба:

• Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec), который может наблюдать 100 объектов одновременно;
• Камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam);
• Комбинированная камера среднего инфракрасного диапазона и спектрограф (МИРИ) с криоохладителем для поддержания температуры –266˚C;
• Система точного наведения и формирователь изображений широкого поля зрения (FGS/NIRISS), включающий режим спектроскопии экзопланет.

Одной из задач JWST является наблюдение за атмосферами потенциально обитаемых скалистых экзопланет в семипланетной системе TRAPPIST-1, в 39 световых годах от Земли.

Эту систему обнаружил космический телескоп «Спитцер», который был выведен из эксплуатации в январе 2020 года.

Как и Джеймс Уэбб, он специализировался на инфракрасном диапазоне, но JWST в 1000 раз мощнее Хаббла.

Космический телескоп Джеймса Уэбба против Хаббла

Чем космический телескоп Джеймса Уэбба отличается от космического телескопа Хаббл?

Расстояние от Земли

• Хаббл — 570 километров;
• JWST 1,5 миллиона километров.

Наблюдения

• Оптический телескоп Хаббла, UB, до ближнего ИК-диапазона 0,1–2,5 микрон;
• JWST видимый до среднего ИК диапазона, 0,6–28,5 микрон.

Что он может видеть

• Галактики Хаббла «Тоддлер»;
• JWST «детские» галактики.

Масса

• Хаббл 12 246 килограмм;
• JWST 6500 килограмм.

Диаметр главного зеркала

• Хаббл 2,4 метра;
• JWST 6,5 метров.

Размер

• Хаббл 13,2х4,2 метра;
• JWST 22х12 метров (солнцезащитный козырек).

Размер основного телескопа

• Хаббл — школьный автобус;
• JWST — половина самолета Боинг 737.

Температура

• Хаббл 21°C;
• JWST -230°C.

Интервью с ученым космического телескопа Джеймса Уэбба

Доктор Эрик Смит (Eric Smith), научный сотрудник космического телескопа Джеймса Уэбба, рассказывает больше о том, что будет делать JWST.

Это интервью было проведено перед запуском космического телескопа Джеймса Уэбба.

Как космический телескоп Джеймса Уэбба будет использовать наследие Хаббла?

Хаббл, каким бы удивительным он ни был за свою 30-летнюю жизнь, сообщил нам, что есть некоторые вещи, для ответа на которые нам понадобится другая установка.

Хаббл в некотором смысле задал научные вопросы-преемники, на которые призван ответить Уэбб, и причина, по которой Хаббл не смог, скажем, завершить некоторые исследования, заключается в том, что у него есть первичное зеркало заданного размера, и его область длин волн видна в первую очередь.

Одной из областей, на которую, в частности, указал нам Хаббл, была необходимость в более крупном инфракрасном телескопе для обнаружения некоторых из самых ранних галактик.

Таким образом, «Хаббл» позволил нам узнать, как создать его преемника.

Сможет ли JWST заглянуть в прошлое и увидеть самые ранние галактики?

Это верно.

Из-за конечной скорости света и очень огромных расстояний в космосе, когда мы видим свет этих самых ранних галактик, этот свет уже давно ушел, направляясь к нашим телескопам.

Итак, мы переносимся в прошлое, в то время, когда Вселенная была молодой.

Несмотря на то, что эти галактики очень далеки, на самом деле они молоды, когда мы их наблюдаем, и их свет сместился в красную сторону из-за расширения Вселенной.

Свет покинул эти очень молодые галактики в виде ультрафиолетового и видимого света, но расширение Вселенной расширило его длину волны до инфракрасного диапазона.

И именно поэтому мы оптимизировали Уэбба для работы там.

Можем ли мы на самом деле увидеть, как происходит Большой Взрыв?

С помощью Хаббла мы можем оглянуться назад и увидеть некоторые молодые галактики, когда Вселенной было около 500 миллионов лет.

Мы используем эксперименты с микроволновым фоном, такие как WMAP или миссия «Планк», чтобы увидеть космический микроволновый фон, так называемую поверхность последнего рассеяния, то есть, когда Вселенной исполнилось триста тысяч лет.

Итак, между тремястами тысячами и пятьюстами миллионами лет мы не знаем, что делала Вселенная.

Именно этот период времени мы строим для Уэбба, чтобы он мог его посмотреть.

Когда впервые образовались эти ранние галактики? Было ли это 200 миллионов лет назад? 300 миллионов лет? Вот в чем вопрос.

Как был построен JWST?

Первое, что мы знали, что нам нужно сделать, это заставить JWST работать в инфракрасном диапазоне.

Вы знаете, где галактики излучают большую часть света, и вы знаете, как далеко Вселенная растянула этот свет, и это говорит вам, для каких длин волн вы хотите оптимизировать.

Для нас это длины волн от чуть более красных, чем может видеть глаз, до примерно 10-20 микрон. Итак, это говорит о вашем диапазоне длин волн.

Теперь, поскольку эти объекты очень тусклые, мы знаем, что нам нужно зеркало побольше, и вы можете оценить размер необходимого вам зеркала.

Как только вы узнаете эти две вещи, остальная часть дизайна последует за вами.

Для нас интересно то, что наше зеркало настолько велико, что мы не можем поместить его в ракету, поскольку зеркало состоит всего из одного куска.

Поэтому нам пришлось сделать складной телескоп, и именно эта особенность Уэбба делает его таким интересным, а его форму такой знаковой.

Похожи ли космические телескопы на обычные телескопы?

Да. JWST — телескоп-рефлектор.

Он работает точно так же, как телескопы, которые вы покупаете и используете здесь, на Земле.

Это выглядит немного по-другому, потому что у нас нет трубки вокруг Уэбба.

Скорее, у нас есть солнцезащитный козырек, который, как вы можете себе представить, похож на зонтик.

Он расположен на той стороне обсерватории, которая обращена к ярким инфракрасным источникам, которыми для нас являются Солнце, Земля и Луна, и тогда телескоп смотрит более или менее параллельно этому зонтику.

Трубка нам не нужна, да и сама трубка имела бы дополнительную массу, что затруднило бы запуск.

Вместо этого у нас есть так называемое голое зеркало, которое питает четыре различных научных прибора, камеры и спектрографы.

Где будет находиться JWST и какова будет его орбита?

Уэббу необходимо находиться очень далеко от инфракрасных источников света или тепла.

И, конечно же, Хаббл, находящийся всего в 300 километрах над Землей, находится слишком близко к источнику инфракрасного излучения.

Итак, мы собираемся расположить Уэбба примерно в 1,5 миллионах километров от Земли, в так называемой L2 или второй точке Лагранжа.

Это положения в любой системе, вращающейся вокруг двух тел, и они были открыты в конце 1700-х годов французско-итальянским математиком Жозефи-Луи Лагранжем (Josephy-Louis Lagrange).

Если вы расположите телескоп на расстоянии полутора миллионов километров, он будет находиться далеко от источников инфракрасного излучения, так что вы не будете ослеплены этим локальным инфракрасным излучением и сможете снова держать их все в одной стороне от себя.

Это означает, что вам нужен только солнцезащитный щит и вам не нужна трубка.

Уэбб будет следовать за Землей по ее орбите вокруг Солнца: он вращается не вокруг Земли, а вокруг Солнца.

Как JWST будет защищен от высокой температуры и космического мусора?

С точки зрения температуры гораздо безопаснее находиться на уровне L2.

Когда он вращается вокруг Земли, JWST входит и выходит из тени Земли, поэтому он подвергается воздействию Солнца, затем не подвергается воздействию Солнца, а затем снова подвергается воздействию Солнца.

Из-за этого он испытывает перепады температур.

Но на уровне L2 его температура гораздо более стабильна.

Так что в некотором смысле для нас это проще, чем телескоп на околоземной орбите.

Однако он не защищен магнитными полями Земли и поэтому немного более подвержен воздействию космического излучения.

Что касается микрометеороидов, мы более или менее знаем и можем рассчитать ожидаемое количество микрометеороидов заданного размера, которые попадут в телескоп за всю жизнь.

Когда мы проектировали Уэбба, мы знали, что нам нужно создать достаточные возможности на ранних этапах миссии, чтобы к концу срока миссии мы все еще были в состоянии заниматься наукой.

Вы более или менее строите его немного лучше, чем вам нужно на старте, так что к тому времени, когда вы примете во внимание любые микрометеороиды, вы все еще сможете заниматься своей наукой.

Опасно ли, что JWST нельзя обслуживать так же, как «Хаббл»?

Важно помнить, что, хотя все знают о миссиях по обслуживанию «Хаббла», на самом деле существует только один спутник, который когда-либо был построен для обслуживания, и это «Хаббл».

Все остальные спутники построены с расчетом на то, что вы никогда не будете их обслуживать, и то же самое происходит с Webb, прежде всего потому, что мы так далеко.

Сегодня у нас нет возможности отправлять астронавтов так далеко, и у нас нет робота, который мог бы выполнять ремонт, поэтому нам приходится предусмотреть резервирование в конструкции Уэбба.

Мы заботимся о том, чтобы в случае двигателей, которые должны приводить в действие устройства, у нас было более одного способа их электрического подключения.

Это касается всех других спутников, кроме «Hubble».

Мы не исходим из предположения, что будем их обслуживать.

Мы обязательно тестируем его на местах, чтобы убедиться, что он работает, и создаем избыточность, чтобы в этом не было необходимости.

Если бы мы запустили «Хаббл» с помощью той технологии, которая у нас есть сейчас, думаете ли вы, что все было бы по-другому?

В то время понятие телескопа и его обслуживание были тесно связаны.

В каком-то смысле «Спейс Шаттл» и «Хаббл» подтягивали друг друга в процессе разработки.

Всегда ведутся споры о том, было бы дешевле просто построить еще один «Хаббл», а не обслуживать его, и это интересное предположение.

Я не знаю, каков окончательный ответ.

Я думаю, сегодня мы знаем, что наши технологии достаточно развиты, и нам не обязательно внедрять эту возможность обслуживания.

Скорее, мы можем встроить интеллектуальные возможности в само устройство.

И Уэбб немного продвинулся по этому пути, но сегодня вы можете встроить в свой космический корабль еще больше интеллектуальных функций.

Вы могли бы представить, что когда-нибудь, например, космический корабль сможет самовосстанавливаться.

Вы имеете в виду искусственный интеллект, который позволил бы телескопу самому себя починить?

Вы могли бы представить это в программном обеспечении, но я даже думаю, размышляя дальше, о материалах, которые могут исцелять себя.

Другими словами, он распознал бы, что на него воздействовал микрометеороид, и что ему необходимо восстановить себя там, где это произошло.

Гораздо проще сделать это на структурах, которые не являются оптикой.

Я думаю, что самовосстанавливающаяся оптика, вероятно, появится немного позже.

Это то, чем на самом деле занимается НАСА?

Я не знаю ни о каких текущих исследовательских программах, которые конкретно изучают это, но у НАСА действительно есть организация под названием «NASA Innovative Advanced Concepts», которая, как правило, рассматривает действительно далеко идущие идеи, подобные этой, просто чтобы спросить, есть ли что-нибудь действительно правдоподобное в этой области.

И люди невероятно умны, так что, хотя сейчас это звучит как научная фантастика, когда-нибудь это станет научным фактом.

Сможет ли JWST обнаружить экзопланеты?

Экзопланеты — это область, которая сейчас остро интересует людей.

И когда Уэбб действительно стартовал, мы знали на тот момент ровно о двух экзопланетах.

Но теперь, конечно, их тысячи, и мы знаем о десятках подобных Земле и достаточно близких, чтобы Уэбб мог изучить их атмосферу с помощью метода транзитной спектроскопии.

Это когда мы наблюдаем, как экзопланета проходит между нами и ее звездой-хозяином, и измеряем спектр света звезды, когда планета находится перед ней, а затем, когда планета не находится перед ней.

Вы можете использовать этот метод, чтобы узнать, что находится в атмосфере этой планеты, если у нее есть атмосфера.

Мы будем искать такие вещи, как вода, метан и другие химические вещества, которые могут указывать на обитаемость этих экзопланет.

Мы уже знаем, что люди предлагают сделать это с Уэббом, потому что это инфракрасный телескоп.

Его также собираются использовать для изучения облаков космической пыли, где в нашей Галактике формируются звезды, например, в туманности Ориона (Orion).

Инфракрасный свет проникает через эти облака пыли, которые блокируют видимый свет, и поэтому мы знаем, что будут программы по изучению рождения звезд в этих облаках.

Наконец, поскольку мы можем видеть более или менее полную историю формирования галактик, мы можем наблюдать, как Вселенная собирает галактики на протяжении космического времени, а это означает, что вы получаете полную семейную картину, от детских фотографий до фотографий бабушек и дедушек.

Сможет ли JWST обнаружить темную энергию и темную материю?

В случае с темной энергией астрономы, вероятно, будут использовать или предложат использовать Уэбба, чтобы помочь нам лучше измерить постоянную Хаббла.

Сейчас существует противоречие между постоянной Хаббла, измеренной с помощью микроволнового фона, и исследованиями сверхновых.

Поэтому люди будут использовать Уэбба, чтобы помочь найти ответ или устранить это несоответствие.

В случае с темной материей он снова будет изучать множество галактик в космическом времени и смотреть на их кривые вращения, чтобы увидеть, сколько темной материи они будут содержать, и говорит ли это нам о чем-то отличном от того, что мы знаем, просто проводя исследования видимого света.

Будет ли JWST создавать красивые изображения?

Да, мы разработали JWST так, чтобы дифракция была ограничена 2 микронами, а это означает, что снимки, которые мы делаем в ближнем инфракрасном диапазоне, будут выглядеть такими же четкими, как и снимки Хаббла.

«Хаббл» был оптимизирован примерно на полмикрона. Если поместить их рядом, они будут такими же четкими.

Но они будут рассказывать нам о разных аспектах физики, потому что в одном случае мы смотрим на видимый свет, а в другом — на инфракрасный свет.

Это та же самая четкая деталь, но взгляд на несколько другие вещи. Так что это будет увлекательно.

Как коронавирус повлиял на работу над JWST?

Что ж, это, безусловно, интересное время для всех в мире, которым во многих случаях приходится работать из дома.

В компании «Northrup Grumman» в Южной Калифорнии, в их космическом парке, где сейчас находится оборудование, продолжается работа по интеграции и тестированию с учетом социального дистанцирования и других соображений, которые мы должны принять во внимание.

Так что они продвигаются там.

Ребята из «Space Telescope Science Institute», Европейского космического агентства и Канадского космического агентства: многие из них работают из дома.

И есть кое-какая работа, которую вы можете выполнять дома, разработка программного обеспечения и заполнение бумажной работы, те вещи, от которых вы немного отстаете в конце миссии.

Так что работа продолжается, хотя и не такими темпами, как хотелось бы.

Конечно, мы должны учитывать последствия коронавируса, и как только мы выйдем из этого с другой стороны, мы оценим наш график и посмотрим, как обстоят дела.

Но важно помнить, что работа все еще продолжается. Мы все здесь.

Многие из нас работали над этим много лет, и сейчас мы так близки к этому, поэтому мы очень взволнованы.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!