В понедельник, 11 июня, президент США Джо Байден представил в Белом доме первый снимок, созданный с помощью нового космического телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST). "Этот телескоп воплощает лидерство Америки в мире, это не пример нашей мощи, но мощь нашего примера". Проект нового большого космического телескопа начали обсуждать еще в конце 1990-х, разрабатывали и строили "Джемс Уэбб" ученые и инженеры из США, Канады и Европы, его запуск в космос переносили несколько раз, а окончательный бюджет проекта составил порядка 10 миллиардов долларов. Теперь с его помощью человечество может увидеть самые первые звезды во Вселенной.
Байден показал изображение скопления галактик SMACS 0723, находящегося на расстоянии 4,6 миллиарда световых лет от Земли. Этот снимок, в действительности составленный из данных, собранных несколькими датчиками телескопа "Джеймс Уэбб" и искусственно раскрашенный, выглядит более ярко и контрастно, чем изображение того же объекта, сделанное с помощью телескопа "Хаббл". В НАСА "Джеймс Уэбб" назвали "научным преемником" "Хаббла", космического телескопа, который три десятилетия назад стал не просто важнейшим научным инструментом, но и инструментом просвещения, который показал человечеству яркие изображения далеких галактик, звезд и туманностей и привлек внимание к астрономии сотен миллионов землян.
Первое сделанное "Хабблом" изображение представили в мае 1990 года – тогда его сравнивали со способностями наземного оптического телескопа. Теперь сам "Хаббл" сравнивают с более совершенным "Джеймсом Уэббом", хотя это не совсем справедливо по отношению к обоим аппаратом. Уникальность нового телескопа не только в огромном по масштабам космических станций зеркале (6,5 метра диаметром против 2,4-метрового зеркала "Хаббла"), но и в рабочем диапазоне – в основном инфракрасном, в отличие от преимущественно оптического "Хаббла".
Солнечный зонтик
Инфракрасный диапазон дает возможность намного лучше, чем оптический, смотреть сквозь космическую пыль, а также наблюдать очень далекие (а значит, как следует из расширения Вселенной, древние) объекты, светимость которых переходит в инфракрасный спектр из-за так называемого красного смещения. Из-за того, что земная атмосфера хорошо поглощает инфракрасное излучение, эффективно делать такие наблюдения можно только из космоса, но здесь возникает другая проблема: тепло. Для работы в инфракрасном диапазоне температура зеркала космического телескопа должна быть близка к абсолютному нулю (чем выше длина волны, тем ниже должна быть температура), иначе его ослепит собственное тепловое излучение. "Джеймс Уэбб" – не первый инфракрасный телескоп, работающий в космосе, но практически все его предшественники использовали для охлаждения криогенные установки, которые переставали работать после исчерпания охладителя, такого как жидкий гелий.
Основной источник нагрева космического аппарата – это, разумеется, Солнце, а также отражающие его излучение Земля и Луна. Для того, чтобы снизить их эффект, "Джеймс Уэбб" отправили не на околоземную орбиту, где работает "Хаббл", а в так называемую вторую точку Лагранжа, которая находится в 1,5 миллионах километров от Земли с внешней стороны ее орбиты. Находящийся в этой точке объект из-за компенсации гравитационных и центробежных воздействий все время остается на линии, проходящей через Солнце и Землю. Хотя вторая точка Лагранжа находится слишком далеко, чтобы земная тень укрывала объект от солнечного излучения, на аппарате можно установить "солнечный зонтик", который все время, без необходимости постоянной корректировки, будет экранировать его со стороны Солнца, Земли и Луны.
Солнечный зонтик "Джеймса Уэбба" – едва ли не более удивительный и технологически сложный элемент телескопа, чем его уникальное зеркало. Это пятислойный парус площадью примерно с теннисный корт, каждый слой (они закреплены на некотором расстоянии друг от друга) имеет толщину в сотые доли миллиметра. Парус сделан из особого материала, дополнительно слои покрыты алюминием и силиконом. Они чрезвычайно легко рвутся, микроскопические повреждения, случайно нанесённые при испытании солнечного зонтика в 2018 году, стали одной из причин очередной задержки запуска телескопа. Парусообразный экран отправился в космос в свернутом виде, его установка и натяжение всех слоев с помощью сложной электромеханической системы заняли в общей сложности несколько дней.
Парус способен снизить температуру между теневой и солнечной сторонами "Джеймса Уэбба" почти на 300 градусов по Цельсию – этого достаточно для поддержания температуры в 39 K (–234°C), при которой могут эффективно работать датчики ближнего инфракрасного диапазона. Для датчика среднего инфракрасного диапазона (MIRI) требуется дополнительное охлаждение с помощью жидкого гелия.
Машина времени
Телескоп "Джэймс Уэбб" почти не видит того, что способен увидеть человеческий глаз – ему доступна только самая "красная" часть оптического спектра. Зато он прекрасно видит то, что можно условно назвать теплом, и поэтому сам напоминает некий космический тепловизор. Два основных преимущества работы в инфракрасном диапазоне: во-первых, способность увидеть быстро удаляющиеся от нас древние космические объекты, которые из-за эффекта красного смещения излучают практически только в длинноволновой части спектра, а во-вторых, возможность заглянуть под пылевые облака, плохо проницаемые для видимого света.
Какая из этих способностей нового телескопа важнее? "Вы получите разный ответ на этот вопрос в зависимости от того, кого будете спрашивать. Я голосую за пыль в силу своей научной специализации. Пыль мешает проводить любые наблюдения в оптическом диапазоне, в инфракрасном диапазоне. И знать ее свойства необходимо даже космологам, потому что, если они не будут знать свойства пыли, они не смогут учесть ее в своем сигнале. Уже есть примеры того, как недостаточное внимание к пыли приводило к результатам, от которых потом приходилось отказываться", – говорит в комментарии РС Дмитрий Вибе, заведующий отделом физики и эволюции звёзд Института астрономии РАН.
Хотя возможность видеть сквозь пыль позволит "Джеймсу Уэббу", например, наблюдать формирование звезд и планетных систем в межзвездных облаках, все-таки в качестве его главного преимущества создатели называют способность работать в качестве "машины времени". Из-за того, что скорость света конечна, чем дальше от наблюдателя находится космический объект, тем более старое его изображение он получает. Например, продемонстрированный Джо Байденом снимок SMACS 0723 отражает их состояние на 4,6 миллиарда лет назад (когда наша Солнечная система еще только формировалась), так как они находятся на расстоянии в 4,6 миллиарда световых лет от Солнца. "Джеймс Уэбб" способен видеть и "глубже" во времени. В частности, на том же снимке видны галактики, расположенные более чем в 13 миллиардах световых лет от Солнца – они, хотя и в искаженном виде, оказались на снимке благодаря эффекту гравитационного линзирования, в качестве линзы выступило как раз более близкое скопление SMACS 0723.
В НАСА надеются, что "Джеймсу Уэббу" удастся заглянуть в период примерно 200 миллионов лет после Большого взрыва, то есть на 13,6 миллиарда лет в прошлое. Увидеть еще более раннее младенчество Вселенной новый телескоп не сможет. "Вселенной понадобилось некоторое время на то, чтобы появились источники излучения, которые может наблюдать "Уэбб", то есть Вселенная в том виде, в котором она существует сейчас, или в хоть сколько-нибудь похожем виде возникла не одномоментно. Сигналы из предшествующих эпох приходится искать другими инструментами, которые работают в радиодиапазоне, например, длинноволновом", – объясняет Дмитрий Вибе. В период, который доступен наблюдению нового телескопа, формировались первые звезды – именно их, как надеются ученые, сможет разглядеть "Джеймс Уэбб". Самая старая (и одновременно самая далекая) известная науке галактика HD1, открытая с помощью инфракрасного космического телескопа "Спитцер" в апреле этого года, появилась, как считается, через 330 миллионов лет после Большого взрыва. Теперь есть надежда, что "Джеймс Уэбб" сможет различить в ней отдельные звезды первого поколения, а также найти галактики-ровесницы HD1 и даже более старые.
Дмитрий Вибе подчеркивает, что "Джеймс Уэбб" – универсальный телескоп, который может использоваться и для изучения объектов, находящихся в миллиардах световых лет, и для наблюдения тел в Солнечной системе (в НАСА показали сделанный новым телескопом снимок Юпитера и нескольких его лун). Но, исходя из преимуществ инфракрасного диапазона, ученые выделяют в первую очередь наблюдения за самыми далекими объектами, изучение процесса рождения звезд, скрытого от других телескопов пылевой завесой, а также анализ экзопланет.
НАСА опубликовало сделанный с помощью "Джеймса Уэбба" спектральный анализ экзопленеты WASP-96b, находящейся в 1150 световых годах от Солнца. Такой анализ можно сделать, изучая излучение звезды в момент, когда экзопланета проходит по ее диску. Часть излучения, проходя через атмосферу планеты, поглощается содержащимися в ней химическими элементами, таким образом, спектральный анализ излучения дает информацию о составе атмосферы планеты. Первые данные, собранные новым телескопом, показали, что в атмосфере WASP-96b формируются облака, состоящие в том числе из водяного пара.
Новый элемент пазла
"Джеймс Уэбб" не является ультимативным, идеальным телескопом, который способен заменить все существующие. "Одно из важнейших свойств современной астрономии, о котором астрономы любят говорить, – это то, что она стала всеволновой. В большом количестве случаев вам нужно один и тот же объект наблюдать в самых разных диапазонах, широко говоря, от гамма-излучения до длинноволнового радиоизлучения. Конечно, разные объекты в разных диапазонах излучают по-разному, но наиболее полную картину вы получаете, естественно, с широким охватом длин волн. Телескопы редко специализируются на конкретных типах объектов, скорее они все призваны закрывать пустые места в той общей мозаике, которую мы пытаемся построить", – говорит Вибе.
Не станет "Джеймс Уэбб" и полной заменой "Хабблу", с которым его все время сравнивают: диапазоны их работы хотя и пересекаются, но не совпадают. "Это разные инструменты. Они ни в коем случае друг друга не дублируют. Поэтому они нужны оба", – подчеркивает эксперт. Кстати, к "Хабблу" было совершено пять пилотируемых экспедиций для его технического обслуживания и апгрейда. А вот обслуживать в космосе "Джеймс Уэбб" при нынешнем уровне технологий не получится: он находится слишком далеко.
Дмитрий Вибе отмечает, что, хотя у телескопа "Джеймс Уэбб" есть наиболее привлекательные области применения, нет готового списка космологических и астрофизических задач, которые он должен разрешить. "Прелесть подобных проектов состоит в том, что по большей части неизвестно, что будет обнаружено с их помощью. Телескоп – это в первую очередь поисковый прибор. В последнее время инфракрасный диапазон начинает к себе привлекать больше внимания, потому что и инструментов, которые в нем работали, раньше было не так много, и его важность в самых важных задачах тоже постепенно осознавалась. Сейчас есть больше ожиданий чего-то нового, неожиданного, чем желания подтвердить уже существующие гипотезы".
Задачи для нового телескопа, как и для других международных телескопов, смогут ставить ученые всего мира, подавая соответствующие групповые заявки и деля между собой время наблюдения. Сам Дмитрий Вибе надеется раскрыть с помощью "Джеймса Уэбба" тайны космической пыли. "В доступных ему спектрах скрыто много информации и о структуре космических пылинок, об их эволюции. Это те задачи, которые мы уже много лет пытаемся решить, все время сталкиваясь с ограничениями наблюдательных данных и по качеству, и по количеству. Конечно, сейчас мы надеемся, что наступает яркая эпоха и работать станет, не знаю, можно ли сказать проще, но интересней". Вибе говорит, что для российских ученых возможность работать с телескопом "Джеймс Уэбб" не закрыта.
Радио Свобода