Джеймс Уэбб

Джеймс Уэбб (полное название — Космический телескоп «Джеймс Уэбб», JWST) — крупнейший орбитальный инфракрасный телескоп, запущенный 25 декабря 2021 года. Является совместным проектом НАСА (США), Европейского космического агентства (ЕКА) и Канадского космического агентства (ККА). Предназначен для наблюдения Вселенной в инфракрасном диапазоне, что позволяет изучать объекты, невидимые в оптическом диапазоне из-за космической пыли или большого красного смещения. Считается преемником космического телескопа «Хаббл», хотя значительно превосходит его по чувствительности и разрешению в инфракрасной области.

История создания

Предпосылки и концепция

Идея создания нового мощного инфракрасного телескопа возникла в конце 1990-х годов, когда стало очевидно, что возможности «Хаббла» в инфракрасном диапазоне ограничены. Первоначально проект назывался «Next Generation Space Telescope» (NGST). В 2002 году телескоп был переименован в честь Джеймса Уэбба, второго администратора НАСА (1961–1968), руководившего программой «Аполлон».

Разработка и строительство

Разработка началась в 2004 году. Основным подрядчиком стала компания Northrop Grumman. Стоимость проекта изначально оценивалась в 1,6 млрд долларов, но в ходе многочисленных задержек и технических усложнений выросла до 10 млрд долларов. Запуск многократно переносился: с 2007 года на 2014, затем на 2018, 2020 и, наконец, на 2021 год.

Запуск и развёртывание

Телескоп был запущен с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью ракеты-носителя «Ариан-5». После отделения от ракеты начался самый сложный этап — развёртывание. В течение 30 дней JWST выполнил 344 ключевых операции, включая раскрытие солнцезащитного экрана размером с теннисный корт и развёртывание основного зеркала из 18 сегментов. Телескоп был выведен на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце–Земля, находящейся на расстоянии 1,5 млн км от Земли.

Устройство и характеристики

Основное зеркало

Главное зеркало телескопа состоит из 18 шестиугольных сегментов из бериллия, покрытых золотом. Диаметр зеркала — 6,5 метра, что в 2,7 раза больше, чем у «Хаббла». Площадь сбора света — 25,4 м². Каждый сегмент оснащён семью микроприводами для точной юстировки.

Солнцезащитный экран

Для работы в инфракрасном диапазоне телескоп должен быть охлаждён до температуры ниже 50 К (−223 °C). Пятислойный солнцезащитный экран размером 21,2 × 14,2 метра отражает солнечный свет и тепло, обеспечивая пассивное охлаждение. Каждый слой изготовлен из каптона (полиимидной плёнки) с алюминиевым покрытием.

Научные приборы

На борту JWST установлены четыре основных инструмента:

• NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) — основной формирователь изображений, работает в диапазоне 0,6–5,0 мкм.
• NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) — способен одновременно получать спектры до 100 объектов.
• MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) — камера и спектрограф для диапазона 5–28 мкм. Требует активного охлаждения до 7 К.
• FGS/NIRISS (гид-сенсор и формирователь изображений) — используется для точного наведения и получения изображений в ближнем ИК-диапазоне.

Орбита и связь

JWST находится на гало-орбите вокруг точки L2. Связь с Землёй осуществляется через сеть Deep Space Network (DSN) со скоростью до 28 Мбит/с. Телескоп не рассчитан на обслуживание или ремонт — он расположен слишком далеко от Земли.

Научные задачи

Первые звёзды и галактики

Одна из главных целей JWST — наблюдение первых звёзд (Population III) и галактик, образовавшихся через 100–200 млн лет после Большого взрыва. Благодаря высокой чувствительности в инфракрасном диапазоне телескоп может видеть объекты с красным смещением z > 10.

Формирование планетных систем

JWST изучает протопланетные диски и молодые звёздные системы, чтобы понять механизмы формирования планет. Инструмент MIRI позволяет видеть внутренние области таких дисков, скрытые от оптических телескопов.

Атмосферы экзопланет

С помощью транзитной спектроскопии JWST анализирует состав атмосфер экзопланет. Телескоп способен обнаруживать такие молекулы, как вода, метан, углекислый газ и, возможно, биомаркеры.

Солнечная система

JWST наблюдает планеты, их спутники, астероиды и кометы. Среди первых целей были Юпитер, его кольца и спутники, а также облака Титана и структура атмосферы Сатурна.

Первые результаты и открытия

Глубокое поле

12 июля 2022 года НАСА опубликовало первое научное изображение — «Глубокое поле Уэбба» (Webb's First Deep Field). На снимке запечатлено скопление галактик SMACS 0723, находящееся на расстоянии 4,6 млрд световых лет. Изображение содержит тысячи галактик, некоторые из которых видны с красным смещением z ~ 13.

Галактики ранней Вселенной

В 2022–2023 годах JWST обнаружил несколько кандидатов в галактики с красным смещением z > 13, в том числе JADES-GS-z13-0, существовавшую через 320 млн лет после Большого взрыва. Эти открытия ставят под вопрос существующие модели раннего формирования галактик.

Экзопланеты

В 2022 году JWST подтвердил наличие углекислого газа в атмосфере экзопланеты WASP-39b. Это первое однозначное обнаружение CO₂ в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы. Позднее были обнаружены водяной пар и сернистые соединения.

Столкновение с микрометеоритом

В мае 2022 года один из сегментов основного зеркала был повреждён микрометеоритом. Повреждение оказалось больше расчётного, но не привело к существенному снижению качества наблюдений. НАСА скорректировало ориентацию телескопа для минимизации риска.

Критика и сложности

Стоимость и задержки

Проект критиковался за многократное превышение бюджета (с 1,6 до 10 млрд долларов) и задержки на 14 лет. Некоторые учёные высказывали мнение, что эти средства можно было направить на несколько менее дорогих миссий.

Технические риски

Уникальная сложность развёртывания (344 операции, ни одна из которых не может быть выполнена вручную) вызывала опасения. Отказ на любом этапе привёл бы к полной потере миссии.

Ограниченный срок службы

В отличие от «Хаббла», который обслуживался экипажами Space Shuttle, JWST не подлежит ремонту. Запас топлива для коррекции орбиты рассчитан на 10–20 лет. После его исчерпания телескоп останется на гало-орбите, но потеряет возможность точного наведения.

Сравнение с другими телескопами

Перспективы

JWST рассчитан на работу до начала 2030-х годов. В планы входят наблюдения за наиболее удалёнными галактиками, изучение атмосфер потенциально обитаемых экзопланет (например, TRAPPIST-1e) и мониторинг объектов Солнечной системы. Данные телескопа будут использоваться для планирования будущих миссий, включая проекты «Нэнси Грейс Роман» и «Ариэль».

Источники

• NASA. «James Webb Space Telescope: Mission Overview». 2022.
• European Space Agency. «Webb: The Largest Space Telescope». 2021.
• Space Telescope Science Institute. «JWST User Documentation». 2023.
• Nature. «JWST reveals a galaxy at z=13.1». 2022.
• The Astrophysical Journal Letters. «Detection of CO₂ in WASP-39b». 2022.