James Webb Space Telescope

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (англ. James Webb Space Telescope, JWST) — орбитальная инфракрасная обсерватория, предназначенная для наблюдения в диапазоне длин волн от 0,6 до 28,3 мкм (от видимого оранжевого света до среднего инфракрасного излучения). Является крупнейшим и наиболее мощным космическим телескопом из когда-либо запущенных, совместным проектом НАСА (США), Европейского космического агентства (ЕКА) и Канадского космического агентства (ККА). Назван в честь Джеймса Эдвина Уэбба, второго администратора НАСА (1961—1968), руководившего программой «Аполлон». Запущен 25 декабря 2021 года с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью ракеты-носителя «Ариан-5» (ECA). С января 2022 года находится на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, на расстоянии около 1,5 млн км от Земли. Основные научные цели: изучение первых звёзд и галактик, образовавшихся после Большого взрыва; наблюдение процессов формирования звёзд и протопланетных систем; исследование атмосфер экзопланет; изучение объектов Солнечной системы.

История создания

Предпосылки и начало проекта

Идея создания космического телескопа, способного заменить «Хаббл» (Hubble Space Telescope) и работать в инфракрасном диапазоне, возникла в конце 1980-х годов. В 1996 году НАСА начало предварительные исследования проекта «Next Generation Space Telescope» (NGST). В 2002 году проект был переименован в честь Джеймса Уэбба. Первоначально запуск планировался на 2007 год, а бюджет оценивался в 1—2 млрд долларов США.

Разработка и строительство

Разработкой телескопа занимался Центр космических полётов Годдарда (НАСА) в Гринбелте (Мэриленд), а главным подрядчиком выступила корпорация Northrop Grumman. Создание уникального 6,5-метрового главного зеркала из 18 сегментов, системы криогенного охлаждения и многослойного солнцезащитного экрана потребовало решения беспрецедентных инженерных задач. Проект неоднократно пересматривался, сроки сдвигались, а бюджет вырос до 10 млрд долларов. В 2011 году Конгресс США едва не отменил программу из-за перерасхода средств, но проект был сохранён.

Запуск и ввод в эксплуатацию

Запуск, первоначально запланированный на 2018 год, неоднократно откладывался из-за технических проблем и пандемии COVID-19. После успешного запуска 25 декабря 2021 года последовал шестимесячный период ввода в эксплуатацию: развёртывание солнцезащитного экрана и зеркала, юстировка оптики, калибровка приборов. Первые научные снимки были опубликованы 12 июля 2022 года.

Устройство и конструкция

Главное зеркало и оптика

Главное зеркало телескопа имеет диаметр 6,5 метра и состоит из 18 шестиугольных сегментов из бериллия, покрытых золотом (для улучшения отражения инфракрасного излучения). Каждый сегмент управляется семью микроприводами, позволяющими точно юстировать зеркало в космосе. Вторичное зеркало (0,74 м) также изготовлено из бериллия. Система оптики обеспечивает дифракционно-ограниченное качество изображения в инфракрасном диапазоне.

Солнцезащитный экран

Для работы в инфракрасном диапазоне телескоп должен быть охлаждён до температуры ниже 50 К (−223 °C). Это достигается с помощью пятислойного солнцезащитного экрана размером 21,2 × 14,2 метра (размер теннисного корта). Каждый слой изготовлен из полиимидной плёнки Kapton, покрытой алюминием и кремнием. Экран постоянно обращён к Солнцу, Земле и Луне, обеспечивая пассивное охлаждение телескопа.

Научные приборы

На борту телескопа установлено четыре научных инструмента:

• NIRCam (Near-Infrared Camera) — камера ближнего инфракрасного диапазона (0,6—5 мкм). Основной инструмент для получения изображений и коронография. Служит также для юстировки зеркала.
• NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) — спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (0,6—5 мкм). Способен одновременно получать спектры до 100 объектов с помощью микрозатворной матрицы.
• MIRI (Mid-Infrared Instrument) — прибор среднего инфракрасного диапазона (5—28 мкм). Включает камеру и спектрограф. Требует активного криоохлаждения до 7 К (−266 °C).
• FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor / Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) — датчик точного наведения и камера/спектрограф (0,8—5 мкм). Обеспечивает наведение телескопа и используется для получения изображений и спектров.

Орбита и управление

Телескоп находится на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Такая орбита позволяет поддерживать стабильное тепловое состояние, обеспечивает постоянную связь с Землёй и не засвечивается отражённым светом Земли и Луны. Управление осуществляется из Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе (Мэриленд).

Научные задачи и достижения

Первые звёзды и галактики

Одной из главных целей JWST является наблюдение первых галактик, образовавшихся через 100—500 млн лет после Большого взрыва. В 2022—2023 годах телескоп обнаружил несколько кандидатов в галактики с красным смещением z > 10 (например, GLASS-z13, JADES-GS-z13-0), что значительно превышает возможности «Хаббла». В 2024 году были подтверждены галактики с красным смещением z ≈ 14, что соответствует возрасту Вселенной около 300 млн лет.

Формирование звёзд и планет

JWST позволяет наблюдать процессы звездообразования в плотных газопылевых облаках, непрозрачных для видимого света. Телескоп зафиксировал детальные структуры в туманности Ориона, в области звездообразования Rho Змееносца и в Столпах Творения. Получены изображения протопланетных дисков вокруг молодых звёзд, включая диск у звезды HL Тельца, где видны кольца и щели, указывающие на формирование планет.

Экзопланеты

JWST проводит спектроскопию атмосфер экзопланет методом транзитной спектроскопии (анализ спектра звезды при прохождении планеты по её диску). В 2022 году телескоп обнаружил углекислый газ в атмосфере горячего юпитера WASP-39b, а также водяной пар и облака из силикатов. В 2023 году были получены данные о возможном наличии диметилсульфида (биомаркера) в атмосфере планеты K2-18b, что требует дальнейшего подтверждения.

Солнечная система

Телескоп используется для наблюдения объектов Солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, их спутников и колец. Получены изображения колец Нептуна, не наблюдавшихся с 1989 года (пролёт «Вояджера-2»). JWST также изучает астероиды, кометы и карликовые планеты, включая Плутон и Эриду.

Критика и ограничения

Технические проблемы

В ходе эксплуатации выявлены некоторые проблемы: повышенный износ микрозатворной матрицы NIRSpec, аномалии в работе датчика точного наведения. В 2024 году из-за сбоя в системе гироскопов пришлось временно приостановить наблюдения. В целом, телескоп работает в штатном режиме, но срок службы ограничен запасом топлива для коррекции орбиты (расчётный срок — 10 лет, но возможна работа до 20 лет).

Научная критика

Некоторые учёные критикуют проект за чрезмерную сложность и стоимость, утверждая, что на эти средства можно было запустить несколько менее амбициозных, но более специализированных миссий. Другие отмечают, что JWST не способен наблюдать в ультрафиолетовом и жёстком рентгеновском диапазонах, что ограничивает его возможности по изучению горячих объектов и высокоэнергетических процессов.

Сравнение с другими телескопами

Перспективы

На 2024—2025 годы запланированы программы наблюдений, включающие поиск признаков жизни на экзопланетах, изучение сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной, детальное картирование галактик. JWST будет работать параллельно с будущими наземными обсерваториями, такими как Чрезвычайно большой телескоп (ELT) и Гигантский Магелланов телескоп (GMT), а также с космическим телескопом «Нэнси Грейс Роман» (запуск планируется на 2027 год).

Источники

• Gardner, J. P. et al. (2006). «The James Webb Space Telescope». Space Science Reviews.
• Kalirai, J. (2018). «Scientific discovery with the James Webb Space Telescope». Contemporary Physics.
• Официальные материалы НАСА, ЕКА и ККА по программе JWST.
• Публикации результатов наблюдений в журналах Nature, The Astrophysical Journal, Astronomy & Astrophysics (2022—2024).