Почему наблюдения в космосе дают больше информации чем наземные телескопы
$10 млрд и 14 лет задержки: почему все так ждали запуска телескопа «Уэбб»
На этой неделе НАСА в последний раз перенесло запуск космического телескопа «Уэбб», новая дата запуска намечена на 25 декабря. Этот момента ждал весь мир последние 14 лет. «Хайтек» рассказывает обсерватория отличается от «Хаббла» и почему проект столько задерживали.
Читайте «Хайтек» в
В чем миссия телескопа?
«Уэбб» разработали, чтобы «увидеть» первые звезды и галактики, которые когда-либо формировались в ранней Вселенной. Он может обнаруживать объекты в 10 миллиардов раз слабее, чем самые тусклые звезды, видимые без телескопа, или в 10–100 раз слабее, чем те, что может наблюдать «Хаббл».
Телескоп будет выполнять две основные задачи. Его первая миссия — исследовать ранние фазы мироздания, собирая инфракрасный свет из космоса, чтобы больше узнать о происхождении Вселенной. Вторая миссия — обнаруживать планеты, которые находятся за пределами Солнечной системы, и исследовать их атмосферы на наличие признаков жизни.
Почему проект столько задерживали?
Возможно, проект реализовывали очень долго из-за сложного оборудования «Уэбба». Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Оказалось, что размер зеркала должен быть не меньше 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далеких галактик. Работать «по лекалам» предшественника JWST — телескопа «Хаббла» было нельзя. Иначе он был бы слишком тяжелым для запуска в космос.
Для решения проблемы в США создали программу Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD). Четыре года НАСА, Национальное управление военно-космической разведки США и Военно-воздушные силы США проводили исследования, в итоге, инженеры построили и проверили два зеркала. Эксперты выбрали то, которое состоит из бериллия. Одна из причин выбора заключается в том, что этот материал сохраняет свою форму при криогенных температурах.
Также ученые приняли решение сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе «Ариан-5». Размер каждого из 18 шестиугольных сегментов зеркала составляет 1,32 метра — от ребра до ребра, масса непосредственно самого зеркала в каждом сегменте — 20 кг, а масса всего сегмента в сборке (вместе с приводами точного позиционирования и т. д.) — 40 кг. Также много времени заняли все проверки и настройка 132 приводов, которые отвечают за развертывание 18 сегментов.
Что особенного в телескопе «Уэбб»?
Телескоп, оснащенный самым сложным оборудованием, сможет заглядывать в самые далекие уголки космоса на расстояние до 13,8 млрд световых лет. Собранные данные позволят ученым лучше понять процессы формирования звезд и галактик сразу после Большого взрыва. По сути, телескоп позволит ученым заглядывать «назад во времени» на Вселенную на миллиарды лет назад.
«Уэбб» попробует увидеть, как загорелся первый свет во Вселенной
Пол Гейтнер, руководитель проекта НАСА,
работал над телескопом в интервью для Los Angeles Times
JWST оснащен четырьмя научными приборами, которые помогают ему проводить наблюдения:
— камера ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Camera);
— прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (англ. Mid-Infrared Instrument, MIRI);
— спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec;
— датчик точного наведения (англ. Fine Guidance Sensor, FGS) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (англ. Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS).
Космический телескоп предназначен для улавливания самого далекого света, чтобы ученые изучили первые звезды во Вселенной. На это не был способен ни один из его предшественников. Уникальность «Уэбба» не только в его размере, но и в его способности воспринимать инфракрасный свет. И вот почему это важно.
Когда Вселенная расширяется, световые волны от самых ранних звезд и галактик растягиваются. К тому времени, когда эти волны достигают нас, они становятся слишком длинными, чтобы их воспринять как видимый свет. Вместо этого они выглядят как инфракрасные. Они легко проходят через облака, состоящие из газа и пыли. Принимая ИК-свет, телескоп может видеть сквозь объекты, которые в противном случае блокировали бы его обзор. Похожим образом работают рентгеновские лучи для создания изображений структур внутри человеческого тела.
Да, прошлые телескопы могли улавливать ИК-свет, но только в более ограниченном диапазоне длин волн. «Уэбб» заполнит большой пробел, обнаружив световые волны от самых первых звезд и галактик во Вселенной.
«Уэбб» увидит то, что не смогли сделать другие телескопы
Благодаря «Уэббу» ученые смогут получить изображения с более высоким разрешением, чем это было возможно с любым другим инфракрасным телескопом до этого. Ключ к успеху — большое зеркало, 18 шестиугольных частей которого помогут ему поглощать как можно больше инфракрасного света.
Поскольку ИК-свет имеет длину волны в 10 раз шире видимого света, «Уэббу» требовалось зеркало значительно большего размера, чем у «Хаббла». В результате получилось позолоченное зеркало, которое в 2,7 раза больше, чем у предшественника. Хотя в более старых телескопах, таких как Herschel и Spitzer, использовались инфракрасные датчики, они не могли обеспечить такое же качество изображений из-за небольшого размера зеркала.
Непростой запуск
Такое оборудование усложняет обслуживание телескопа. После запуска произвести физический ремонт «Уэбба» будет невозможно. Таким образом, каждый шаг в его развертывании должен проходить идеально, чтобы миссия увенчалась успехом. Из-за своего размера телескоп придется сложить перед загрузкой в ракету. В таком компактном состоянии он будет защищен от тряски при выходе из атмосферы Земли.
Ветеран астрономии «Хаббл» находится довольно близко к низкой околоземной орбите, но «Уэбб» улетит гораздо дальше, в гравитационно стабильную точку в 1,5 млн км от Земли, известную как точка Лагранжа 2 (L2). Когда он достигнет этого места, операторы JWST в НАСА развернут солнцезащитный экран. В течение двух недель сложная система штифтов, шестерен и кабелей затянет пять тонких, как мешок для мусора, листов изоляционного материала Kapton. Через несколько недель в космосе распахнется и само огромное зеркало «Уэбба».
Что будет дальше?
По плану, обсерватория начнет отправлять научные данные на Землю примерно через шесть месяцев после развертывания. Первоначальная миссия «Уэбба» по исследованию моментов после Большого взрыва продлится от 5 до 10 лет, хотя, если все пойдет хорошо, ее можно будет продлить. Некоторые из величайших открытий JWST, вероятно, станут ответами на вопросы, которые еще никто не задавал, уверены ученые.
Всё, что нужно знать о самом большом телескопе NASA Джеймсе Уэббе. Его запустят завтра
25 декабря NASA запустит самый мощный космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST). Его разрабатывали 25 лет для замены Хаббла, который с 1990 года находится на орбите Земли.
Запуск нового телескопа станет самым важным событием среди астрономов за последние десятилетия. Ожидается, что JWST поможет узнать историю Вселенной, раскроет тайны черных дыр, темной материи и, возможно, внеземной жизни.
Телескоп запустят в сложенном в виде, после чего он будет самостоятельно собираться в космосе. Если все пройдет удачно, ученые со всего мира получат невероятно мощный инструмент для изучения Вселенной.
JWST самый большой телескоп за всю историю человечества
Сравнение зеркал Уэбба Хаббла.
Зеркало является главным элементом телескопа. Благодаря ему прибор улавливает фотоны света в космосе и обнаруживает различные объекты.
Зеркало телескопа можно представить как легкое ведро. Чем больше зеркало, или чем больше ведро, тем больше материала вы собираете. И, конечно, в данном случае это фотоны света из далекой Вселенной.
Эмбер Страун, заместитель научного руководителя проекта JWST
Чтобы собрать это зеркало, инженерам JWST пришлось разделить его на 18 шестиугольных сегментов. Все они сделаны из бериллия. Этот металл в шесть раз прочнее стали и в три раза легче алюминия.
Уэбб в сложенном виде.
После запуска JWST все 18 сегментов должны идеально выровняться. В некоторых случаях панели будут двигаться с расстоянием примерно 1/10000 диаметра человеческого волоса.
Каждое зеркало должно соединиться друг с другом, чтобы создать единое зеркало без стыков.
Зеркало покрыто тонким слоем золота. Оно позволяет JWST видеть объекты в инфракрасном диапазоне и имеет повышенный коэффициент отражения.
Одно зеркало телескопа, покрытое золотом компании Quantum Coating Incorporated.
И это то, что делает телескоп окном в прошлое. Поскольку возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд лет, то объекты на расстоянии 13,6 млрд световых лет появились через 100-200 млн лет после Большого взрыва. Изучив их, ученые смогут узнать недостающие факты из истории Вселенной.
Однако проводить наблюдения в инфракрасном диапазоне невероятно сложно. Точность измерений с использованием инфракрасного света напрямую зависит от тепла.
JWST не может располагаться на орбите нашей планеты или где-нибудь на Земле. Тепло Земли и её атмосферы нарушило бы наблюдения. Сам телескоп тоже должен быть холодным и не выделять слишком много тепла.
Но даже на таком большом расстоянии, тепло от Солнца все еще остается проблемой для JWST. Чтобы его избежать, инженеры оснастили Уэбб солнцезащитной мембраной, состоящей из пяти ультратонких слоев Каптона, каждый размером с теннисный корт.
Солнцезащитная мембрана на испытательном стенде.
Слои укладываются друг на друга. Внешний слой всегда будет обращен к солнцу, чтобы отражать большую часть тепла, работая при температуре 110 °C.
Разработка JWST велась 25 лет, сопровождаясь многочисленными проблемами и скандалами
Натуральная модель Уэбба в 2005 году.
В 1996 году астрономы из Института исследований космоса с помощью космического телескопа рекомендовали NASA построить новый инфракрасный космический телескоп с зеркалом шириной 4 метра.
Но руководитель NASA Дэн Голдин решил, что 4 метра недостаточно, и призвал разработчиков миссии увеличить диаметр до 8 метров.
Подготовка Уэбба к гравитационным испытаниям.
Другая проблема заключалась в том, что все технологии и механизмы, необходимые для точного выравнивания зеркал не существовали. Их пришлось изобретать с нуля.
Следующим камнем преткновения стало то, что это намного дороже, чем мы думали.
Томас Зурбухен, помощник администратора Управления научных миссий NASA
Установка зеркал.
Но на протяжении десятилетий затраты на JWST росли, а дата запуска постоянно откладывалась. В итоге сенаторы США предложили отменить проект из-за стремительного роста бюджета, но коллеги их не поддержали.
Однако затраты продолжали расти, а разработка остановилась. Когда инженеры начали собирать телескоп по частям и тестировать его, чтобы подготовиться к запуску в космос, возникло множество проблем.
Когда телескоп находился у главного подрядчика Northrop Grumman, винты и шайбы в один момент отвалились от аппарата. Инженеры обнаружили разрывы на солнцезащитном щите, поскольку кто-то подал чрезмерное напряжение во время испытаний, и это не самые серьезные проблемы.
На последних этапах среди астрономов возникли разногласия из-за названия телескопа. Изначально его предлагали назвать в честь Джеймса Уэбба, руководителя NASA во время программы «Аполлон» по отправке людей на Луну.
В статье, опубликованной в Scientific American, три астронома призвали NASA переименовать телескоп, сославшись на тот факт, что Уэбб был высокопоставленным чиновником при администрации президента Гарри Трумэна во время «Лавандовой паники», когда представителей меньшинств выгоняли с государственных постов.
NASA решило не переименовывать телескоп после того, как провело внутреннее расследование и заявило об отсутствии доказательств причастности Уэбба к этой практике.
Уэбб готовится к транспортировке.
В октябре 2021 года JWST доставили на стартовую площадку космодрома Куру во Французской Гвиане.
Первоначально запуск телескопа был назначен на 18 декабря, но дважды откладывался из-за нескольких проблем, в том числе из-за сломанной зажимной ленты, которая создавала вибрации, нарушающие связь между ракетой и её наземными системами.
На Уэббе нет таких маленьких ошибок, которые имели бы маленькие последствия. Мы должны быть близки к совершенству.
Томас Зурбухен, помощник администратора Управления научных миссий NASA
Запуск — это только начало. Телескоп будет самостоятельно настраиваться в космосе
Ариан-5 с JWST на стартовой площадке.
Сам запуск должен продлиться примерно 26 минут, прежде чем JWST отделится от Ариан-5.
Если все пройдет хорошо, то в NASA начнется период «29 дней на грани». За это время телескоп должен полностью запустить все свои системы в космосе.
Первое, что JWST должен сделать сразу после запуска — развернуть солнечную панель, чтобы питаться солнечной энергией. Затем он откроет антенну с высоким коэффициентом усиления для связи с Землей.
После этого начнется самое сложное — телескоп должен будет развернуть солнцезащитный экран и зеркало.
Визуализация развертывания всех систем Уэбба:
Когда трансформация завершится, телескоп запустит бортовые двигатели, чтобы занять окончательное положение в намеченной точке Лагранжа.
Если все процессы пройдут хорошо, то у NASA скоро появится самый мощный телескоп в мире. Когда он достигнет точки Лагранжа, ему потребуется несколько дней, чтобы остыть. Затем инженеры несколько месяцев будут проводить удаленную настройку и проверять все системы.
Первые снимки JWST должен прислать летом 2022 года.
Почему мы помещаем телескопы в космос?
Помещение телескопа в космос имеет свои ограничения. Во-первых, он не может быть слишком большим, потому что он должен находиться внутри ракеты, запускающей его — это же закладывает ограничения по весу. Наша способность ремонтировать его также будет ограничена, если что-то пойдет не так: к примеру, НАСА несколько раз ремонтировала Хаббл, пока имелась возможность достаточно дешевых запусков с помощью шаттлов, да и сам телескоп летает несильно выше МКС. Но тот же телескоп Уэбба будет вращаться на орбите вокруг Солнца, и запуск ремонтной миссии с людьми к нему будет стоить даже дороже, чем постройка нового телескопа. И, наконец, достаточно очевидный факт — космические миссии очень дорогие. Так почему мы все равно этим занимаемся?
Основная причина, по которой мы помещаем телескопы в космос — это обход атмосферы Земли, чтобы мы могли получить более четкое представление о планетах, звездах и галактиках, которые мы изучаем. Наша атмосфера действует как защитный купол, позволяющий пропускать только излучение с определенными длинами волн, блокируя остальные.
В большинстве случаев это хорошо. Никакой крем, защищающий кожу от Солнца, не смог бы нас спасти, если бы мы подвергались бомбардировке высокоэнергетическими рентгеновскими или гамма-лучами всякий раз, когда выходили на улицу. Но это защита означает, что нам не повезло, когда дело доходит до сбора данных в этих диапазонах длин волн в наземных исследованиях. Мы не можем попросить атмосферу сделать какие-либо специальные исключения для света, который мы надеемся изучить нашими телескопами.
Длины волн в атмосфере Земли
Некоторые виды излучения, такие как вышеупомянутые гамма- и рентгеновские лучи, а также большая часть излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, вообще не могут наблюдаться с Земли, потому что они полностью заблокированы атмосферой. Вывод телескопов в космос, за пределы земной атмосферы — это единственный способ увидеть, как выглядит Вселенная в этих длинах волн.
Так почему мы не можем просто наблюдать на длинах волн, которые не полностью заблокированы атмосферой? Это все равно, что пытаться собрать пазл, когда не хватает половины кусочков. Без наблюдений в инфракрасном диапазоне, например, мы бы не поняли, как формируются звезды. Они проводят большую часть своей жизни, светясь в оптическом диапазоне, который мы можем наблюдать с Земли, но вот рождаются они из коллапсирующих облаков газа и пыли, которые излучают в основном в инфракрасном диапазоне. Звезды остаются окутанными этой пылью, и, таким образом, оказываются невидимыми в оптическом диапазоне на самых ранних этапах своей жизни.
Наши исследования черных дыр были бы сильно ограничены без возможности наблюдать их на рентгеновских длинах волн. Черные дыры не могут наблюдаться напрямую, ибо от их гравитации не может вырваться даже свет — поэтому их и называют «черными». Но по мере того, как они собирают окружающий их материал во вращающийся диск, называемый аккреционным, этот материал начинает излучать на рентгеновских длинах волн. Наблюдения в этом диапазоне может дать информацию о массе и размерах черной дыры.
Что такое атмосферная турбулентность?
Но космические телескопы предназначены не только для наблюдений в тех диапазонах длин волн, которые полностью блокирует наша атмосфера. Хотя наша атмосфера позволяет видимому свету проходить сквозь нее, мы по-прежнему выводим на орбиту оптические телескопы, такие как Хаббл. А виновата в этом атмосферная турбулентность, или движения воздуха в атмосфере, которые искажают свет от далеких звезд — особенно сильно это сказывается при съемке с большой выдержкой. В итоге фотографии, сделанные на Земле, оказываются менее четкими, чем сделанные в космосе. Кстати, вы, скорее всего, не раз наблюдали эффект атмосферной турбулентности — мерцание звезд: разумеется, на самом деле они светят непрерывно.
Радиотелескоп Аресибо в Пуэрто-Рико.
Наземные телескопы также зависят от погоды. На земле мы, как правило, устанавливаем оптические и инфракрасные телескопы высоко на горных вершинах или в пустынях, где количество осадков минимально, чтобы мы могли максимизировать количество ночей с ясным небом. Также эти места помогают избежать светового загрязнения из соседних городов, и обычно воздух в них максимально чист и прозрачен. Но в любом случае будут пасмурные или дождливые ночи, когда телескопам на земле не повезет.
Существуют также некоторые длины волн, при наблюдении в которых атмосфера вообще не играет никакой роли (она в них прозрачна), и исследования могут проводиться даже в пасмурных или дождливых условиях. Например, длинные радиоволны не задерживаются атмосферой или облаками. Серьезным ограничивающим фактором для четкости изображений, получаемых радиотелескопами по сравнению с оптическими телескопами, как правило, является размер телескопа, а не атмосфера. Поэтому радиотелескопы строят там, где удобно ставить очень большие тарелки — например, в карстовых известняковых воронках в пуэрториканских джунглях.
Что такое адаптивная оптика?
Астрономы разрабатывают методы улучшения наблюдений здесь, на Земле, чтобы наши наземные телескопы могли лучше конкурировать с космическими, по крайней мере, в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне. Адаптивная оптика, например, позволяет астрономам корректировать искажения или размытия изображений атмосферой с помощью деформируемых зеркал. Наблюдая ближайшую яркую звезду к нужной астрономической цели, приборы могут моделировать движения атмосферы в режиме реального времени. Затем эта модель снова используется в реальном времени для корректировки формы зеркала телескопа, чтобы устранить атмосферные искажения.
Но что если планета или галактика, которую вы хотите наблюдать, находится на небе далеко от яркой звезды, которую можно использовать для этого моделирования? В этом случае астрономы просто стреляют гигантским лазером в небо и наблюдают за искажениями луча — достаточно круто!
Телескоп Хаббла помог нам измерить скорость расширения и возраст Вселенной, детально отобразить различные космические тела в нашей Солнечной системе и наблюдать катастрофические взрывы сверхновых, которыми заканчивается жизнь некоторых звезд. Космический телескоп Спитцера показал нам галактики со времен, когда Вселенная была еще очень молода, и рассказал нам очень много всего о звездных системах за пределами нашей собственной. Мы можем наблюдать многое с земли, но именно космические телескопы имеют решающее значение для раскрытия большей части тайн Вселенной.
Даны ответы на пять вопросов о космическом телескопе Джеймса Уэбба
Запуск, запланированный на вторник, был перенесен на 25 декабря из-за «плохих погодных условий», заявило НАСА.
Даны ответы на пять вопросов о космическом телескопе Джеймса Уэбба
Запуск, запланированный на вторник, был перенесен на 25 декабря из-за «плохих погодных условий», заявило НАСА.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, самый мощный из когда-либо построенных, взлетит в следующую субботу после более чем 30-летнего ожидания. Эта жемчужина инженерной мысли, принадлежащая НАСА, будет исследовать развитие и расширение Вселенной примерно 13 миллиардов лет назад.
Запуск, запланированный на вторник, был перенесен на 25 декабря из-за «плохих погодных условий», заявило НАСА.
Вот краткое изложение этой жемчужины инженерной мысли в пяти вопросах, пишет испанский портал Eluniverso: 1. Как он выглядит?
Его центральным элементом является огромное главное зеркало диаметром 6,6 метра, состоящее из 18 шестигранных зеркал меньшего размера. Они сделаны из бериллия и покрыты золотом, чтобы лучше отражать свет, захваченный из далеких уголков Вселенной.
Обсерватория также имеет четыре научных инструмента: формирователи изображений для съемки космоса и спектрометры, которые анализируют свет для изучения химических и физических свойств наблюдаемых объектов.
На борту также будет служебный модуль, содержащий двигательную установку и систему связи. В целом обсерватория весит как школьный автобус. 2. Куда он летит?
Телескоп будет выведен на орбиту в 1,5 миллиона километров от Земли, что в четыре раза превышает расстояние от нашей планеты до Луны.
В отличие от телескопа Хаббла, который вращается вокруг Земли, Джеймс Уэбб будет вращаться по орбите вокруг Солнца. Он будет развиваться в постоянном выравнивании с нашей максимальной звездой и Землей, «позади» последней. Ваше зеркало постоянно будет спиной к нашей главной звезде.
Достижение этой позиции, называемой точкой Лагранжа L2, займет около месяца. На таком расстоянии нельзя ожидать пилотируемой ремонтной миссии, как это было с Хабблом. 3. Как он будет развернут?
Поскольку телескоп был слишком большим, чтобы поместиться на ракете, он складывался сам по себе. Техническое ограничение, которое порождает самую сложную часть миссии: ее развертывание в космосе, наиболее опасное из когда-либо предпринимавшихся НАСА.
Приблизительно через 30 минут после взлета антенна связи и солнечные батареи, питающие его, будут развернуты.
Таким образом, расширение солнцезащитного козырька, до сих пор сложенного гармошкой, начнется на шестой день, спустя много времени после того, как пройдет Луна. Его тонкие мембраны будут управляться сложным механизмом, включающим 400 шкивов и 400 метров кабеля.
На второй неделе, наконец, настанет черед зеркала.
После достижения окончательной конфигурации инструменты необходимо охладить и откалибровать, а зеркала необходимо отрегулировать очень точно. После шести месяцев настройки и процедур телескоп будет готов. 4. Что собирается делать?
Его второй важной миссией будет изучение экзопланет, то есть планет вокруг звезд, отличных от нашего Солнца, в поисках пригодной для жизни среды, в частности, путем изучения их атмосферы.
Большая новинка Джеймса Уэбба состоит в том, что он будет работать только в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. Вы сможете видеть сквозь облака пыли, недоступные для телескопа Хаббл, который имеет небольшую инфракрасную способность, но работает в основном в видимом и ультрафиолетовом свете.
Также запланированы более близкие наблюдения в нашей солнечной системе за Марсом или Европой, спутником Юпитера. 5. Как долго мы этого ждали?
Обсерватория является результатом огромного международного сотрудничества, а также объединяет канадские и европейские инструменты. Над проектом работали более 10 000 человек, бюджет которого резко вырос, а его стоимость в конечном итоге приближается к 10 миллиардам долларов.
Он будет работать не менее пяти лет, а потенциально и более 10 лет.