Большой взрыв и внеземная жизнь: зачем запущен самый большой орбитальный телескоп

Рождественский подарок

Запуска нового орбитального инфракрасного телескопа астрономы ждали 25 лет. По диаметру зеркала — 6,5 м — «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST) намного превосходит своего предшественника. Знаменитый «Хаббл» стал эпохой в астрономии, но ученые уже вскоре после его запуска в 1990 году задумались о следующем, еще более совершенном инструменте. В 1996-м эксперты решили, что новый орбитальный телескоп должен иметь зеркало диаметром более 4 м (у «Хаббла» 2,4 м) и работать в инфракрасном диапазоне.

Почему именно в инфракрасном? Во-первых, многие космические объекты (например, кометы, астероиды и планеты) не испускают собственного света, но излучают инфракрасные (ИК) волны. Во-вторых, это излучение легче проходит сквозь облака газа и пыли. В-третьих, свет самых далеких галактик превратился в ИК-волны из-за расширения Вселенной. 

Наконец, в 1990-х годах в телескопостроении началась эра адаптивной оптики, устраняющей размытие изображений атмосферой Земли. Из-за этого выводить в космос крупные оптические телескопы стало невыгодно: на поверхности планеты можно за меньшие деньги соорудить куда более впечатляющий инструмент. Например, стоимость строящегося в Чили телескопа ELT с 39-метровым зеркалом оценивается в €1,3 млрд — чуть ли не вдесятеро меньше, чем у «Уэбба». А вот в инфракрасных лучах с Земли наблюдать трудно, атмосфера сильно поглощает их. Так что, если уж тратить время и средства на создание орбитального инструмента, то лучше инфракрасного, чем оптического.

Кстати, о деньгах и сроках. Изначально JWST планировали запустить в 2007 году, потратив $500 млн. В действительности изготовление деталей телескопа стартовало только в 2004-м, а в 2013 году начался продолжительный этап сборки и испытаний. Вклад NASA в проект составил $9,7 млрд, из которых $861 млн выделено на первые пять лет наблюдений, а остальные траты пришлись на разработку, изготовление и тестирование аппарата. Европейское и Канадское космические агентства, разработавшие важные системы «Уэбба», потратили €700 млн и 200 млн канадских долларов соответственно.

Срыв сроков и многократное превышение смет неудивительны, когда речь идет об инструменте такого класса. «Уэбб» — настоящее чудо техники, и многие использованные технологии были созданы специально для него.

Так, по диаметру зеркала инструмент далеко превосходит все оптические или инфракрасные телескопы, когда-либо выводившиеся на орбиту. Конечно, были радиотелескопы с большими зеркалами, но сравнивать их некорректно: в радиодиапазоне радикально ниже требования к качеству зеркала. Чтобы уложиться в ограничения по массе, инженеры сделали зеркало JWST в десять раз легче на единицу площади, чем у «Хаббла». Мало того, эту 6,5-метровую махину пришлось делать складной, иначе габариты аппарата вышли бы за допустимые при запуске пределы. Восемнадцатью сегментами зеркала управляют 132 микромотора, выставляющие их в нужное положение с микронной точностью. Кстати, чтобы зеркало не испускало собственных инфракрасных лучей, оно будет работать при температуре ниже -223 °C. Поскольку изготавливали его при комнатной температуре, детали пришлось делать «неправильными», чтобы они встали на свои места, когда деформируются от холода. И, между прочим, подсолнечная сторона космического аппарата будет нагреваться до +110 °C, так что создателям телескопа пришлось изрядно потрудиться над теплозащитным экраном (тоже складным). Он ослабляет поток солнечного тепла в миллион раз.

Темные тайны и первый свет

Ради чего были предприняты эти титанические усилия? Прежде всего, «Уэбб» позволит нам заглянуть во времена образования первых звезд и галактик. Все крупные галактики, в том числе и наша, более или менее ровесники Вселенной. Но за почти 14 млрд лет, прошедших после Большого взрыва, их облик изменился до неузнаваемости. Чтобы заглянуть в прошлое, нужно наблюдать самые далекие «звездные острова», лучи которых добирались до Земли более 13 млрд лет. Мы увидим их в момент, когда они начали испускать свет — новорожденными. Правда, из-за расширения Вселенной этот свет превратился в инфракрасные волны, и это как раз работа для «Уэбба».

Благодаря большому зеркалу и новейшим приемникам излучения JWST обладает беспрецедентной для инфракрасных телескопов способностью различать тусклые объекты и тонкие детали изображения. Поэтому мы можем буквально увидеть рождение галактик и впервые в истории уловить свет первого, давно погасшего поколения звезд. Возможно, удастся разглядеть и зарождение сверхмассивных черных дыр, тайна происхождения которых давно будоражит ученых.

Впрочем, загадок хватает и в более близких уголках космоса. Самые волнующие — природа темной материи и темной энергии. Детальные портреты многочисленных галактик и карты их распределения, составленные «Уэббом», должны пролить новый свет на эти темные тайны, а заодно на эволюцию галактик и Вселенной как целого.

А еще JWST заглянет в «родильные дома» звезд. Светила образуются в плотных облаках газа и пыли, почти непроницаемых для света. Поэтому детали этого процесса скрыты от глаз астрономов в буквальном смысле. Инфракрасное зрение «Уэбба» преодолеет эту завесу и покажет нам, как рождаются звезды.

А еще новый телескоп будет пристально изучать экзопланеты, как новорожденные, так и вполне зрелые. С его помощью астрономы будут определять температуру поверхности планет и искать биомаркеры — атмосферные газы, предположительно сопутствующие жизни.

Есть у «Уэбба» дела и в окрестностях Солнца. Здесь его епархией станут планеты, спутники, кометы, астероиды и холодные ледяные тела за орбитой Нептуна. Наблюдать последние крайне трудно, и беспрецедентная чувствительность JWST должна помочь составить первые сколько-нибудь подробные карты окраин Солнечной системы. Не исключено, что благодаря «Уэббу» будет обнаружена гипотетическая девятая планета.

Однако все волнующие открытия еще впереди. Сейчас телескопу предстоит перелет во вторую точку Лагранжа в 1,5 млн км от Земли, откуда он и будет наблюдать Вселенную. Такая орбита удобна тем, что в объектив чувствительного инструмента никогда не попадут ни Солнце, ни Луна. Затем космической обсерватории нужно будет проверить и настроить оборудование. Ожидается, что «Уэбб» приступит к наблюдениям через полгода после запуска.