25 декабря 2021 года ракета «Ариан-5» планирует вывести на орбиту телескоп имени Джеймса Уэбба — космическую обсерваторию, превосходящую все предыдущие по своим возможностям. Человечество никогда прежде не разрабатывало и не запускало в космос столь сложный и дорогостоящий научный прибор.
Разработка нового космического телескопа, от первоначальной идеи до запуска, заняла более 25 лет. За это время бюджет проекта значительно увеличился, и теперь его создание оценивается в 10-11 миллиардов долларов, что вдвое превышает стоимость строительства Большого адронного коллайдера. В определенный период времени некоторые ученые выражали сомнения относительно целесообразности разработки «Уэбба», указывая на то, что новый телескоп занимает слишком большую долю в научном бюджете NASA. В 2011 году проект едва не был закрыт конгрессом, но его удалось спасти. Сейчас телескоп полностью готов. Наступает решающий момент: успех колоссальной работы будет зависеть от успешного запуска и последующего месяца развертывания сложной конструкции – до выхода инструмента на заданную орбиту вокруг точки Лагранжа, расположенной на расстоянии полутора миллионов километров от Земли.
Смена пришла
Телескоп «Уэбб» станет преемником самого известного астрономического инструмента — космического телескопа «Хаббл», запущенного в 1990 году. Благодаря «Хабблу» было сделано множество значимых открытий, в том числе ускоренное расширение Вселенной, широкое распространение центральных черных дыр в галактиках и многочисленные гравитационные линзы, которые позволили уточнить распределение темной материи во Вселенной. Кроме того, «Хаббл» существенно изменил восприятие астрономии в обществе. Именно этот телескоп подарил нам полноцветные, детально прорисованные снимками объектов глубокого космоса, которые сегодня стали такими привычными.
Получение изображений высокого качества представляет собой сложную задачу для астрономов, проводящих наблюдения через атмосферу с использованием наземных телескопов. Прежде всего, турбулентность воздуха приводит к размытию изображения, препятствуя достижению крупными телескопами максимального теоретического разрешения. Однако за последние 30 лет разработаны методы борьбы с этой проблемой, в частности, адаптивная оптика: для устранения искажений, вызванных атмосферой, зеркало телескопа слегка изменяет свою форму в режиме реального времени.
Во-вторых, естественное свечение атмосферы мешает наблюдению за тусклыми объектами, чья поверхностная яркость меньше яркости неба. Многие замечали, как бледной выглядит Луна днем – ее поверхностная яркость сопоставима с фоном дневного неба. Если бы она была еще немного слабее, она была бы незаметна. Аналогично, туманности и галактики с низкой поверхностной яркостью неразличимы с Земли, поскольку они теряются на фоне ночного неба. И без вывода телескопа в космос эту проблему не решить.
Диаметр главного зеркала телескопа «Уэбба» достигает 6,6 метра, в то время как у «Хаббла» он составляет 2,4 метра. Соответственно, светособирающая площадь увеличилась более чем в шесть раз – до 25,4 квадратного метра. Однако было бы ошибочно рассматривать новый телескоп как просто увеличенную версию «Хаббла». Ключевое отличие заключается в диапазоне наблюдаемого спектра. «Хаббл» – это оптический инструмент, работающий преимущественно в видимом диапазоне, а также в ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом. «Уэбб» предназначен для наблюдений в среднем инфракрасном диапазоне.
Инфракрасные надежды
Наземные наблюдения ограничены окнами прозрачности атмосферы, которые не очень велики. Оптическое окно прозрачности немного шире диапазона видимого излучения — с длинами волн от 300 до 2000 нанометров. Радиоокно охватывает диапазон от одного миллиметра до 20 метров. В остальной части спектра полноценные наблюдения можно вести только из космоса. Особый интерес для астрофизики представляет инфракрасное излучение, находящееся за оптическим окном прозрачности.
Смещение в красную область, вызванное космологическим эффектом, приводит к тому, что свет от далеких галактик смещается к более длинноволновому диапазону. В связи с этим, свет первых звезд, возникших после Большого взрыва из водорода и гелия, не может быть зафиксирован ни телескопом «Хаббл», ни наземными обсерваториями, поскольку эти звезды не содержали тяжелых элементов. Эти звезды относятся к гипотетическому населению III типа, пока еще никто не наблюдал. Существуют разногласия среди специалистов относительно их характеристик. Некоторые астрофизики полагают, что первые звезды обладали гораздо большей массой, чем современные, быстро потребляли свое топливо, увеличивая концентрацию тяжелых элементов в окружающем пространстве, и, возможно, стали предшественниками сверхмассивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Предположительно, эти звезды начинают формироваться в областях с красным смещением z = 25, что означает увеличение длины волны в 25 раз: вместо видимого излучения в диапазоне 400-700 нанометров, мы получаем инфракрасное излучение с длиной волны 10–20 микрометров. В настоящее время удается обнаруживать галактики с z чуть больше 10, это соответствует возрасту Вселенной, составляющему 400-500 миллионов лет, периоду, когда звездное скопление было значительным, а их излучение активно ионизировало межгалактическое пространство. Телескоп «Уэбб» предоставит возможность наблюдать еще более ранние этапы, до возраста 150 миллионов лет.
Уэбб» предоставит уникальную возможность изучить так называемые «звездные колыбели» Галактики. Звезды формируются в результате сжатия межзвездных молекулярно-пылевых облаков. Однако по мере уплотнения эти облака становятся непрозрачными для видимого света, так как он поглощается пылью. Поэтому телескопу «Хаббл» был доступен лишь их внешний вид. Инфракрасное излучение, напротив, способно проникать сквозь такие облака, поскольку его длина волны превышает размеры пылевых частиц. Более того, именно в виде инфракрасного излучения эти облака, скрытые от внешнего мира пылью, рассеивают избыточное тепло, препятствующее их сжатию. Новый телескоп позволит изучить внутреннюю структуру этих облаков и проверить существующие теоретические модели процессов, происходящих в них.
Изучение холодных экзопланет, температура которых близка к земной, представляет собой одно из наиболее перспективных направлений. Их излучение находится в среднем ИК-диапазоне, то есть в тех длинах волн, на которых Земля рассеивает в космос тепло, полученное от Солнца.
В космосе слишком жарко!
Именно из-за этого тепла телескоп «Уэбб» не может быть выведен на низкую околоземную орбиту, как это было сделано с «Хабблом». На такой орбите большая часть нижней полусферы занята нашей планетой, излучающей тепло со средней температурой около 260 кельвинов, что попадает в средний инфракрасный диапазон. Экранировать такой масштабный источник оказалось бы невозможно, а также чрезвычайно затруднительно было бы принудительно охлаждать огромное зеркало и все остальные компоненты аппаратуры. Поэтому для размещения «Уэбба» была выбрана точка Лагранжа L 2, расположенная на расстоянии полутора миллионов километров позади Земли при взгляде с Солнца.
Точки Лагранжа представляют собой положения в системе двух вращающихся тел, где достигается неустойчивое равновесие для объекта, находящегося в этом месте. В рассматриваемом случае, двумя телами являются Солнце и Земля, а пробным объектом служит космический телескоп. В точке L 2 телескоп обращается вокруг Солнца с тем же периодом, что и Земля, — один год. Но как это возможно, если большая полуось его орбиты вокруг Солнца на полтора миллиона километров больше земной? Казалось бы, по третьему закону Кеплера период обращения для такой орбиты должен быть на пять дней больше. Все дело — в притяжении Земли. Оно создает как раз такую добавку к солнечному притяжению, что период обращения вокруг Солнца по расширенной орбите все-таки равен одному году. Следует также уточнить, что телескоп не будет размещаться строго в точке Лагранжа. Он будет двигаться вокруг нее по довольно сложной орбите радиусом около 800 тысяч километров. И хотя формально эта орбита неустойчива из-за возмущений со стороны других планет и Луны, а также давления солнечного излучения, для сохранения телескопа на нужной орбите достаточно будет минимальных коррекций траектории — на два-четыре метра в секунду за год.
Впрочем, увеличение расстояния от Земли не полностью решает задачу охлаждения оборудования. Поскольку телескоп, находящийся на орбите около точки Лагранжа, постоянно подвергается воздействию солнечного света, от него необходимо заслониться специальным экраном. На телескопе «Уэбб» он состоит из пяти слоев тонкой пленки, каждый из которых имеет площадь около 200 квадратных метров. Слой, обращенный к Солнцу, будет нагреваться до 85 °C. Тепло от этой пленки будет распределяться примерно равномерно в двух направлениях: обратно к Солнцу и к следующему экрану. Благодаря этому, до второго слоя пленки достигнет вдвое меньше энергии, и он нагреется незначительно. Подобный принцип действует и для остальных слоев, и в результате на теневой стороне температура не превысит 40 кельвинов (минус 233 °C).
Благодаря этому, охлаждать зеркала, конструкцию и большинство научных инструментов телескопа не требуется. Однако для MIRI (Mid-Infrared Instrument), прибора, фиксирующего инфракрасное излучение, необходимо более глубокое охлаждение — до шести кельвинов. Достичь такой температуры возможно только при использовании жидкого гелия, который хранится в большом контейнере объемом 250 килограммов. По расчетам, этого запаса должно хватить как минимум на пять лет эксплуатации, хотя есть вероятность продлить срок службы до десяти лет.
Без права на ошибку
В этой связи стоит отметить еще одно существенное отличие от телескопа «Хаббл» — к «Уэббу» не предусмотрена возможность отправки астронавтов для его обслуживания. Напомним, что к «Хабблу» было проведено пять сервисных полетов с использованием шаттлов, что является уникальным случаем в истории космонавтики. Изначально, после вывода «Хаббла» на орбиту, было установлено, что его основное зеркало имеет дефекты, препятствующие получению изображений требуемого качества. Замена зеркала была невозможна, однако была разработана корректирующая система, которую астронавты установили вместо одного из научных приборов (высокоскоростного фотометра). В дальнейшем астронавты неоднократно заменяли гироскопы, необходимые для стабилизации телескопа и имеющие ограниченный срок службы, дозаправляли систему охлаждения жидким азотом и, самое главное, модернизировали регистрирующие приборы. Дело в том, что 1990-2000-е годы были отмечены стремительным прогрессом в области ПЗС-матриц и процессоров — детекторы, с которыми был оснащен «Хаббл» при запуске, обеспечивали качество изображения сопоставимое с тем, что выдают бытовые видеокамеры.
Поэтому, в космосе, возможности для обслуживания телескопа имени Джеймса Уэбба отсутствуют. Его рабочая орбита находится почти в четыре раза дальше Луны. Человек никогда прежде не добирался до столь удаленного расстояния. К тому же, сама конструкция телескопа не предусматривает возможности проведения подобных работ. Соответственно, в случае возникновения неисправностей, шансы на восстановление его работоспособности будут ограничены. При этом его устройство значительно сложнее, чем у «Хаббла».
Позолоченный бериллий
Для построения оптической системы телескопа применена трехзеркальная оптика схема Корша, изобретенная в 1972 году. Двухзеркальная система Кассегрена, используемая в большинстве телескопов, включая «Хаббл», оптика не способна полностью устранить все искажения изображения. Система Корша корректирует сферическую аберрацию, комату, астигматизм и кривизну поля, то есть устраняет практически все основные дефекты оптики. Главное зеркало в такой системе имеет параболическую форму, вторичное — выпуклый гиперболоид, а третичное — вогнутый эллипсоид. Только представьте, какой простор для возможных ошибок, подобных той, что была допущена с главным зеркалом «Хаббла».
Основная трудность заключалась в разработке дизайна главного зеркала телескопа «Уэбба». На сегодняшний день ни одна ракета не способна доставить в космос зеркало такого размера – 6,6 метра в диаметре. Обращение с зеркалом таких габаритов затруднено и на Земле. Поэтому в крупных наземных телескопах давно применяются сегментированные зеркала, позволяющие существенно уменьшить вес конструкции. Зеркало «Уэбба» состоит из 18 шестиугольных сегментов, которые в процессе эксплуатации должны быть выровнены с точностью до десятков нанометров – иначе невозможно получить изображение требуемого качества.
На Земле эти зеркала выгружают на специальные актуаторы — регулируемые опоры, которые крепятся к жесткой раме, охватывающей всю поверхность зеркала. Однако для космического телескопа «Уэбба» конструкция зеркала должна была быть складной: две группы из трех шестиугольных сегментов при запуске были повернуты под углом более 90° относительно центральной части и должны были быть развернуты уже после старта во время полета к целевой орбите.
Процесс создания этих зеркал также отличался новаторством. Так, для уменьшения массы их решили не изготавливать из стекла, как телескоп «Хаббл», а использовать бериллий. Этот металл был выбран не только из-за своей легкости, но и благодаря его способности сохранять стабильность при криогенных температурах. Для облегчения конструкции на тыльной стороне бериллиевых заготовок были вырезаны специальные канавки, а жесткость обеспечивается ребрами жесткости. Поверхность зеркал покрыта слоем золота, поскольку он эффективно отражает инфракрасное излучение в широком диапазоне длин волн.
План полета
Далее мы представим себе траекторию полета телескопа, начиная с момента запуска и заканчивая выходом на заданную орбиту. Прохождение через атмосферу займет всего 3,2 минуты, однако это лишь начальный этап, впереди еще множество ключевых операций. После отделения от ракеты-носителя активируется разгонный блок, который должен будет проработать 27 минут, чтобы вывести телескоп на рабочую орбиту. Сразу после отделения от разгонного блока происходит развертывание солнечных батарей. Несколько часов спустя на Землю будет направлена узконаправленная антенна для высокоскоростной связи.
На третий день полета, возможно, с небольшими изменениями в графике, начинается один из самых деликатных этапов — развертывание солнцезащитных экранов. По обе стороны от телескопа выдвигаются телескопические мачты, на которых натягиваются пять слоев пленки, толщина которых сопоставима с толщиной человеческого волоса. Оценка рисков, связанных с подобными манипуляциями, основана на опыте межпланетной станции «Галилео», которая после старта к Юпитеру не смогла полностью развернуть большую антенну для связи с Землей. Вероятно, причиной стала вакуумная сварка — явление, при котором трущиеся металлические детали в вакууме могут необратимо свариваться.
На одном из краев солнцезащитного экрана расположен дополнительный откидной элемент, выполненный в форме «плавника». С помощью его ориентации относительно солнечного света, телескоп способен уменьшать собственный момент импульса (вращение) за счет использования принципа солнечного паруса, то есть воздействия солнечного давления. Это позволяет снизить нагрузку на гироскопы стабилизации, которые, как показала практика эксплуатации телескопа «Хаббл», существенно влияют на срок службы аппаратуры.
С этого момента телескоп начинает постепенно охлаждаться, приближаясь к рабочему криогенному режиму. На шестой день полета происходит развертывание штанги, на которой установлено вторичное зеркало. После этого с обратной стороны главного зеркала раскрывается сложенный радиатор, предназначенный для рассеивания в космос тепло, выделяемое бортовым оборудованием.
На девятый день происходит установка боковых сегментов главного зеркала, которые ранее были сложены. Раскрытие сборки вторичного зеркала запланировано на четырнадцатый день, после чего телескоп можно будет подготовить к детальной настройке и юстировке. До включения маневровых двигателей остается две недели; они должны вывести телескоп на заданную орбиту вокруг точки Лагранжа на двадцать девятый день полета.
Мы надеемся, что вся эта последовательность действий пройдет гладко. В таком случае, после нескольких месяцев настройки и проверок, самый дорогостоящий научный прибор, когда-либо созданный, приступит к исследовательским задачам.