Телескоп James Webb

Джеймс Уэбб (James Webb Space Telescope, JWST) — это космическая обсерватория, предназначенная для наблюдения в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. Является крупнейшим и наиболее мощным космическим телескопом из когда-либо запущенных человеком. Проект реализован под руководством НАСА (NASA) при участии Европейского космического агентства (ЕКА) и Канадского космического агентства (ККА). Телескоп был запущен 25 декабря 2021 года и введён в эксплуатацию в июле 2022 года.

История создания

Предпосылки и начало проекта

Идея создания преемника космического телескопа «Хаббл» (Hubble) возникла в конце 1980-х годов. После успешного запуска «Хаббла» в 1990 году стало очевидно, что для изучения ранней Вселенной, формирования первых звёзд и галактик необходим телескоп, способный наблюдать в инфракрасном диапазоне, так как свет от самых удалённых объектов испытывает сильное красное смещение. Первые концептуальные исследования JWST начались в 1996 году, а официальное одобрение проекта НАСА получило в 2000 году.

Разработка и строительство

Первоначально проект назывался «Next Generation Space Telescope» (NGST), но в 2002 году был переименован в честь Джеймса Эдвина Уэбба, второго администратора НАСА (1961—1968), который руководил программой «Аполлон» и развитием космической науки. Разработка велась консорциумом компаний, включая Northrop Grumman (главный подрядчик) и Ball Aerospace (производство зеркала). Строительство столкнулось с многочисленными задержками и значительным ростом бюджета: первоначальная стоимость оценивалась в 1—3,5 млрд долларов, а к моменту запуска превысила 10 млрд долларов.

Запуск и развёртывание

Запуск состоялся 25 декабря 2021 года с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью ракеты-носителя «Ариан-5» (ECA). После выхода на траекторию к точке Лагранжа L2 системы «Солнце — Земля» начался сложнейший процесс развёртывания, включавший раскрытие солнцезащитного экрана размером с теннисный корт и основного зеркала диаметром 6,5 метров. Все операции прошли успешно, и 24 января 2022 года телескоп вышел на рабочую орбиту вокруг точки L2, находящейся на расстоянии около 1,5 миллиона километров от Земли.

Устройство и характеристики

Основное зеркало

Главное зеркало JWST состоит из 18 шестиугольных сегментов, изготовленных из бериллия и покрытых тонким слоем золота (для лучшего отражения инфракрасного излучения). Диаметр зеркала — 6,5 метров, что обеспечивает площадь сбора света в 6,25 раза больше, чем у «Хаббла». Сегменты могут быть точно отрегулированы в космосе с помощью микродвигателей.

Солнцезащитный экран

Для работы в инфракрасном диапазоне телескоп должен быть охлаждён до температуры около 50 К (−223 °C). Эту задачу выполняет пятислойный солнцезащитный экран размером 21,2 × 14,2 метра. Каждый слой изготовлен из каптона (полиимидной плёнки) и покрыт алюминием; внешний слой — легированным кремнием для отражения солнечного тепла. Экран постоянно удерживает телескоп в тени, защищая его от излучения Солнца, Земли и Луны.

Научные приборы

JWST оснащён четырьмя основными научными инструментами:

• NIRCam (Near-Infrared Camera) — камера ближнего инфракрасного диапазона (0,6—5 мкм). Основной инструмент для получения изображений, также используется для коронографии и наведения телескопа.
• NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) — спектрограф ближнего инфракрасного диапазона. Способен одновременно получать спектры до 100 объектов с помощью микрозатворного массива.
• MIRI (Mid-Infrared Instrument) — прибор среднего инфракрасного диапазона (5—28 мкм). Включает камеру и спектрограф. Требует дополнительного охлаждения до 7 К (−266 °C) с помощью криокулера.
• FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor / Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) — блок точного наведения и инструмент для получения изображений и спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне.

Орбита

JWST находится на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2 системы «Солнце — Земля». Эта точка позволяет телескопу постоянно находиться в тени Земли, обеспечивая стабильное тепловое окружение, а также минимизировать расход топлива для коррекции орбиты. Запаса топлива хватит на более чем 10 лет работы (расчётный срок службы — 5—10 лет, но по состоянию на 2024 год прогнозируется до 20 лет).

Научные задачи

Изучение ранней Вселенной

Основная цель JWST — наблюдение первых звёзд и галактик, образовавшихся после Большого взрыва. Телескоп способен заглянуть в эпоху реионизации (около 400—600 миллионов лет после Большого взрыва) и увидеть свет самых первых объектов Вселенной. В 2022 году JWST подтвердил существование галактики JADES-GS-z13-0, возраст которой оценивается в 13,4 миллиарда лет (красное смещение z ≈ 13,2).

Формирование звёзд и планетных систем

Инфракрасное зрение позволяет телескопу проникать сквозь плотные облака пыли и газа, в которых рождаются звёзды. JWST изучает протозвёздные диски, протопланетные диски и процессы аккреции. В 2023 году были получены детальные изображения туманности Ориона и протопланетного диска вокруг звезды HL Тельца.

Атмосферы экзопланет

С помощью спектроскопии JWST анализирует химический состав атмосфер экзопланет, включая наличие воды, метана, углекислого газа и других молекул. В 2022 году телескоп обнаружил углекислый газ в атмосфере планеты WASP-39b, а в 2023 году — признаки возможного присутствия диметилсульфида (биомаркера) на планете K2-18b.

Солнечная система

JWST используется для изучения планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), их спутников (включая Европу и Энцелад), а также астероидов и комет. В 2022 году были получены изображения колец Нептуна и его спутника Тритона.

Достижения и открытия

Первые изображения

12 июля 2022 года НАСА опубликовало первые полноценные научные снимки JWST, включая «Глубокое поле СМЕТ» (SMACS 0723) — изображение скопления галактик, удалённого на 4,6 миллиарда световых лет, на котором видны тысячи галактик, в том числе возрастом 13,1 миллиарда лет. Другие изображения включали туманность Киля, туманность Южное Кольцо, группу галактик «Квинтет Стефана» и спектр экзопланеты WASP-96b.

Рекордные расстояния

К концу 2023 года JWST установил несколько рекордов по обнаружению самых далёких галактик. Галактика JADES-GS-z14-0 (z ≈ 14,3) является наиболее удалённой из подтверждённых спектроскопически, её свет шёл до Земли около 13,5 миллиарда лет.

Неожиданные результаты

Телескоп обнаружил наличие сложных органических молекул (полициклических ароматических углеводородов) в ранней Вселенной, а также выявил неожиданно большое количество массивных галактик в первые 500—700 миллионов лет после Большого взрыва, что ставит под сомнение некоторые модели формирования галактик.

Критика и проблемы

Стоимость и задержки

Проект JWST многократно критиковался за огромный бюджет (более 10 млрд долларов) и многолетние задержки (изначально запуск планировался на 2007—2010 годы). Некоторые учёные высказывали опасения, что средства могли быть направлены на другие, менее дорогие проекты.

Технические риски

Сложность развёртывания (более 300 критических операций) вызывала опасения, что единичный отказ может привести к потере всей миссии. Однако все этапы прошли успешно. В 2023 году были зафиксированы небольшие повреждения микрометеороидами одного из сегментов зеркала, но они не повлияли на работоспособность.

Ограничения

JWST не может наблюдать в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, в отличие от «Хаббла». Также он не способен наблюдать объекты, находящиеся слишком близко к Солнцу (например, Венеру или Меркурий).

Сравнение с другими телескопами

Перспективы

JWST продолжает работу, и его научная программа рассчитана как минимум до 2027 года. Ожидается, что телескоп будет использоваться для поиска признаков жизни на экзопланетах, изучения тёмной материи и тёмной энергии, а также для наблюдения за сверхновыми и гравитационными волнами. В перспективе планируется запуск следующего поколения телескопов, таких как «Римский космический телескоп Нэнси Грейс Роман» (Nancy Grace Roman Space Telescope, запуск в 2027 году) и «Афина» (ATHENA, 2030-е годы).

Источники

• NASA. «James Webb Space Telescope». Официальный сайт миссии.
• Европейское космическое агентство. «Webb Telescope».
• Space Telescope Science Institute. «JWST User Documentation».
• Научные публикации в журналах Nature, Astronomy & Astrophysics, The Astrophysical Journal Letters (2022—2024).