Свечение кошачьей зари веками струилось к нам, неся в себе истории из глубин бытия. Теперь с помощью JWST мы можем это услышать.
25 декабря 2021 года в 15:20 по московскому времени с борта ракеты Ariane 5 космический телескоп Джеймса Уэбба отправился из тёплого вечнозеленого леса в холодное темное пространство для поиска начала Вселенной.
Новый космический телескоп Джеймса Уэбба раскроет ли новые миры? Покажет ли химическую эволюцию? Расскажет ли о зарождении жизни? Прежде чем мы попадем в будущее, вернемся назад и изучим эту гигантскую машину времени.
Почему название «Джеймс Уэбб»?
В 1989 году при обсуждении первого проекта телескопа его называли NGST, или «Следующий поколение космических телескопов». Лишь в августе 2002 года ему было дано нынешнее название — Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST).
Во время лунных полетов «Аполлона» НАСА переименовало телескоп в честь своего администратора. Джеймс Уэбб во времена холодной войны, когда высадка на Луну была единственной миссией, видел в НАСА нечто большее. Он выступал за проведение научных исследований наряду с исследованиями пилотируемых космических полетов.
Хотя специалистом был юрист, его работа оказала существенное влияние на развитие американской космонавтики на долгие годы.
Что особенного в этом телескопе?
Представьте себе оригами весом 6,5 тонны, которое может поместиться в ракету, взлететь в космос, развернуться и сфотографировать изображения молодых галактик из темноты ранней Вселенной. Это преемник телескопа «Хаббл» с увеличенным в 15 раз полем зрения и площадью сбора в 6,5 раза больше, что делает его достаточно мощным, чтобы уловить слабое свечение после Большого взрыва.
Золотой глаз
Искали ли вы когда-нибудь информацию о JWST или случайно увидели его изображение в интернете, вас наверняка поразило гигантское золотое изделие, напоминающее соты. Это основное зеркало телескопа, состоящее из 18 шестиугольных бериллиевых зеркал, покрытых золотом. Эта огромная сеть зеркал размером 6,5 метров позволит JWST собирать инфракрасный свет от звезд далеких галактик.
Телескоп оборудован трехзеркальной системой. Первичное зеркало собирает свет, подобно бассейну, затем его отражает на второе зеркало, потом на третье и, наконец, на зеркало тонкого управления для стабилизации изображения. С каждым этапом свет становится всё более сфокусированным, что в итоге приводит к появлению чёткой картинки в камере телескопа.
Почему бериллий и золото?
Без обычного зеркала из стекла было невозможно. Оно не выдержит условий космоса и весьма громоздкое. Команда JWST искала легкий, прочный материал, способный выдерживать экстремальные температуры. Также необходимо было хорошее тепло- и электропроводящее свойство, но без магнитности, чтобы не мешать другим частям телескопа. Поиск завершился в сердце Ваканды – там был найден вибраниум.
Шутка.
В действительности использовали бериллий (Be), стальной серый металл, занимающий 4-е место в периодической таблице и обладающий всеми указанными свойствами. Зеркала начали свое путешествие в шахтах Be в штате Юта. После этого было еще 13 остановок в США, полировка до зеркального блеска и отправка на золотое покрытие.
Для покрытия всего зеркала понадобилось 48 грамм золота, размером с мяч для гольфа. Золотой слой толщиной 100 нанометров (одна тысячная от толщины волоса) был нанесен на зеркала методом осаждения из паровой фазы. Покрытие золотом призвано улучшить инфракрасный отражающий свойства зеркал.
Солнцезащитные экраны
Чтобы инфракрасный телескоп регистрировал слабый свет далеких звезд, ему необходимо быть всегда холодным. Как защитить огромное зеркало от солнца и перегрева? Для этого соорудили огромный щит, сравнимый по размерам с теннисным кортом.
Солнцезащитный экран на JWST — пятислойная конструкция между солнечными панелями и главным зеркалом. Эта структура создает барьер для компонентов: одни из которых обращены к солнцу, а другие должны от него скрываться. Солнцезащитный экран не только защищает от солнца, но и охлаждает зеркальную сторону телескопа до -223 ⁰C за счет пятислойной структуры с зазорами между каждым слоем, что обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем одна толстая мембрана.
Из чего сделаны солнцезащитные экраны?
Каждый слой состоит из тонкой полиимидной пленки Kapton, дополнительно покрытой легированным кремнием и алюминием. Легированный кремний препятствует проникновению солнечного света к инфракрасным чувствительным приборам под солнцезащитным экраном. Он излучает большую часть света и тепла, полученных от солнца, а остальная часть отражается высокоотражающим алюминиевым покрытием.
Кроме того, эти покрытия проводят ток и удерживают экран от солнца заземлённым, не давая статическому электричеству скапливаться.
Во время полета вокруг точки Лагранжа L2, находящейся от Земли на 1,5 миллиона километров, солнцезащитный экран может столкнуться с космическими камнями, что может привести к разрыву слоёв. Чтобы не допустить превращения небольшого разрыва в большую дыру, слои Kapton имеют «ограничители разрыва» через каждые 6 футов, созданные методом термического точечного склеивания.
Зачем тогда обставлять всё этим делом и запускать его в космос, если можно установить на Земле? Всё дело в том, что JWST – это инфракрасный телескоп.
Зачем инфракрасный телескоп в космосе?
Вселенная расширяется, отдаляется, пока вы читаете это. Любая форма электромагнитной волны, удаляющаяся от точки отсчета (здесь мы), претерпевает красное смещение. Свет с края времени сейчас стал бы инфракрасным из-за растяжения.
В отличие от видимого света, обладающий большей длиной волны, инфракрасный свет не так легко отражается и может проникать сквозь пылевые облака, предоставляя нам ясное представление о далеких звездных скоплениях. Инфракрасные датчики помогают обнаруживать молодые звезды, которые недостаточно горячи и ярки для видимого света, но излучают инфракрасное излучение.
В области свечения подобно звездам мы тоже обладаем потенциалом. Люди и большинство предметов нашего мира испускают достаточное количество инфракрасного излучения, чтобы помешать работе телескопа.
Обнаружить космические объекты с помощью наземного инфракрасного телескопа так же сложно, как найти светящийся червь под палящим солнцем.
Раскроет ли он больше космической химии?
Теперь учёные смогут завершить разгадку химического обогащения Вселенной. Это даст возможность обнаружить химические сигнатуры галактик, появившихся миллиарды лет назад, и сравнить их с более молодыми системами.
Это даст возможность узнать, как быстро водород и гелий соединялись, образовывая более тяжёлые элементы и всё во Вселенной.
Чувствительность JWST к среднему инфракрасному излучению позволяет ему находить компоненты жизни, такие как вода, углекислый газ и метан. Мощный телескоп измеряет спектры излучения молекул из протопланетных дисков и атмосфер землеподобных экзопланет. Карта их химического состава может указывать на возможность существования или прежнего существования жизни на них.
Исследования с помощью телескопа JWST помогут понять, как возникла жизнь на нашей планете, и если возможное существование жизни за её пределами.
После тридцати лет разработки, проектирования, прогнозирования наихудших сценариев и подготовки к ним космический телескоп стоимостью 10 миллиардов долларов запущен. Тысячи людей из четырнадцати стран объединились, чтобы построить машину времени, дающую нам беспрепятственный обзор Вселенной. Смело отправиться туда, куда ещё не ступала нога человека.
Что касается вопроса, что мы сможем увидеть с помощью JWST, то американский физик Джон Мазер, старший научный сотрудник проекта JWST, любит говорить об этом так: С точностью о том, что увидим в будущем, пока сказать ничего нельзя. Возможны любые варианты…