Александр Сергеев

В 2022 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» принимает вахту у «Хаббла», который с 1990 года удивлял человечество впечатляющими фотографиями Вселенной

Космический телескоп «Хаббл»

В XXI веке астрономия неожиданно стала одной из самых зрелищных естественных наук и в каком-то смысле даже вошла в моду. Произошло это во многом благодаря космическому телескопу «Хаббл». Визуальное качество его снимков превосходило все, что удавалось получать на земных обсерваториях. А дополнительная обработка, выполняемая сотрудниками Института космического телескопа, породила тренд на новый жанр фотоискусства, основанного на профессиональных астрономических снимках.

Телескоп «Хаббл» отработал на орбите вдвое больше первоначально запланированных 15 лет. Космический телескоп нового поколения должен был прийти ему на смену еще в 2007-м. Однако разработка затягивалась, и лишь в декабре 2021 года инструмент, получивший имя «Джеймс Уэбб», был успешно запущен в космос.

Новому телескопу предстояло преодолеть полтора миллиона километров к месту своей работы. По пути происходило развертывание систем телескопа, сбой в любой из которых мог привести к провалу всего проекта стоимостью 11 млрд долларов.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб»

Сегодня «Джеймс Уэбб» готовится к наблюдениям. Давайте сравним его особенности и характеристики с предшественником «Хабблом», чтобы оценить, насколько вперед шагнет астрономия в этом году.

Большой зрачок

Диаметр главного зеркала

«Хаббл» — 2,4 метра
«Джеймс Уэбб» — 6,6 метра

Размер объектива — главная характеристика любого телескопа. Диаметр зеркала определяет, насколько мелкие детали способен различить телескоп, а от площади поверхности зеркала зависит, насколько тусклые объекты доступны наблюдению. Увеличение диаметра в 2,75 раза означает, что «Уэбб» сможет заглянуть в космос во столько же раз дальше «Хаббла».

Конечно, в земных обсерваториях давно уже стоят телескопы диаметром более 10 метров, а к 2027 году должен заработать «Чрезвычайно большой телескоп» диаметром 39 метров. Однако дрожание атмосферы не позволяет наземным телескопам достигать предельного разрешения.

С этим в последнее время научились бороться, компенсируя на лету атмосферные искажения едва заметным изгибанием зеркал инструмента. И все же добиться идеальной компенсации помех невозможно.

Другая проблема наземных инструментов — свечение ночного неба. Даже на максимальном удалении от огней цивилизации ночное небо не абсолютно темное: слабое свечение возникает в ионосфере при рекомбинации молекул кислорода и азота, ионизированных космическими излучениями.

С этой проблемой тоже отчасти можно бороться фильтрами, однако таким способом нельзя добиться того качества, на которое способен заатмосферный телескоп.

Сверхглубокое поле «Хаббла». За 11 суток накопления света тысячи далеких галактик проявились на крошечном пустынном участке неба в созвездии Печи

Золотой глаз

Конструкция главного зеркала

«Хаббл» — монолитное из кремниевого стекла с алюминиевым покрытием
«Джеймс Уэбб» — сегментированное из бериллия с золотым покрытием

Долгое время максимальный размер зеркал для космических телескопов определялся габаритами отсека для полезной нагрузки в ракете или космическом челноке. Первым этот барьер преодолел российский радиотелескоп «Спектр-Р», который в 2011 году после выхода на орбиту развернул параболическую антенну диаметром 10 метров.

Зеркало «Уэбба» тоже составное — в нем 18 шестиугольных сегментов, причем две группы сегментов при запуске находились в сложенном состоянии. Разница, однако, в том, что для радиоантенны допустимые отклонения от расчетной фигуры после раскрытия составляют 1 мм, а для оптического зеркала — сотые доли микрона.

Поэтому сегменты зеркала «Уэбба» опираются на десятки механических актуаторов, которые по командам компьютера позволяют тончайшим образом регулировать положение и деформации отражающих поверхностей, собирая их в единое параболическое зеркало.

Цельное зеркало «Хаббла» весило 828 кг, тогда как 18 сегментов «Уэбба» тянут вместе лишь на 360 кг за счет того, что в качестве основы взято не стекло, а бериллий — редкий металл, который по жесткости превосходит многие сорта стали, но при этом вчетверо легче и почти не подвержен тепловым деформациям.

А еще новый космический телескоп получил прозвище «Золотой глаз» — за то что его зеркало покрыто золотым напылением, а не алюминировано, как у большинства телескопов, включая «Хаббл». Золото обеспечивает высокий коэффициент отражения излучения во всем спектральном диапазоне работы нового инструмента.

Туманность эты Киля, расположенная в 7500 световых годах от нас, — своего рода ясли для новорожденных звезд, постоянно разрушающих газопылевые облака мощными потоками заряженных частиц. На вершинах двух облаков видны пары противоположно направленных джетов — это характерная примета рождения звезды

Взгляд в черноту

Спектральный диапазон

«Хаббл» — ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный (0,1−2,4 микрона)
«Джеймс Уэбб» — часть видимого, ближний и средний инфракрасный (0,6−28 микрон)

Жизнь на Земле была бы невозможна, если бы атмосфера не предохраняла нас от жесткого излучения — ультрафиолета, рентгена и гамма. А если бы сквозь нее свободно проходило инфракрасное излучение, исчез бы парниковый эффект и температура на планете упала бы до минус 18 градусов.

За комфортные условия нам приходится расплачиваться тем, что большая часть электромагнитного спектра космоса недоступна для наблюдения с Земли. В древности астрономы ограничивались видимым светом, и лишь в прошлом веке появилась возможность регистрации радиодиапазона.

Чтобы охватить наблюдениями весь спектр, инструменты необходимо выводить в космос. Однако «Хаббл» работал главным образом в доступных с Земли диапазонах — видимом и ближних ИК и УФ. Из-за этого он не может наблюдать многие чрезвычайно интересные объекты, в том числе самые далекие первые галактики и первые звезды нашей Вселенной: из-за космологического расширения их свет покраснел настолько, что стал недоступен «Хабблу». Именно поэтому рабочий диапазон телескопа «Джеймс Уэбб» сильно смещен в инфракрасную сторону.

Один из самых знаменитых снимков «Хаббла» известен под названием «Столпы Творения». Это подсвеченные окружающими звездами газопылевые облака, в глубинах которых межзвездное вещество сжимается под действием собственной гравитации, пока не уплотнится настолько, чтобы образовались звезды и планеты.

Для «Хаббла» эти темные облака непрозрачны, поскольку пыль в них поглощает видимый свет. А вот «Уэбб» сможет заглянуть внутрь, поскольку излучение среднего ИК-диапазона пыль почти не задерживает — она сама испускает такое излучение, за счет чего остужает облака, помогая им сжиматься.

«Столпы Творения». Этот снимок туманности Орёл в созвездии Змеи, возможно, самый знаменитый кадр космического телескопа «Хаббл». Облака пыли и газа истерзаны жесткой радиацией и звездным ветром от молодых массивных звезд

Космический морозильник

Система охлаждения

«Хаббл» — жидкий азот
«Джеймс Уэбб» — солнечный экран и жидкий гелий

ИК-излучение испускают любые нагретые предметы, в том числе и сам телескоп. Чтобы собранное телескопом излучение не утонуло в собственном «свете» аппаратуры, оборудование надо охлаждать.

Для работы инфракрасной камеры на «Хаббле», которую доставили астронавты во время второго полета к орбитальному телескопу, было предусмотрено охлаждение жидким азотом до температуры 60 кельвинов (−212°C). На телескоп был доставлен сосуд Дьюара, содержащий более 100 кг твердого азота, который постепенно таял и использовался для охлаждения.

Правда, из-за небольшого нарушения теплоизоляции азот закончился быстрее, чем планировалось: за два года, а не за пять. И в следующем полете астронавтам пришлось ремонтировать систему охлаждения.

Поскольку «Уэббу» предстоит работать в дальнем ИК-диапазоне, требования к охлаждению становятся гораздо более жесткими. Сама камера работает при температуре всего на 6 градусов выше абсолютного нуля.

Пришлось использовать жидкий гелий — его в полет взято 250 кг. Причем в отличие от «Хаббла» у «Уэбба» охлаждать приходится не только камеру, но и зеркало. Для этого служит огромный экран из пяти отдельных слоев из тончайшей светоотражающей пленки, который подобно парусу растягивается на раздвижных мачтах.

Галактики Антенны. Эта пара сталкивающихся галактик кружится в танце уже несколько сотен миллионов лет

Подальше от теплой Земли

Орбитальное расположение

«Хаббл» — низкая околоземная орбита
«Джеймс Уэбб» — гало-орбита вокруг точки Лагранжа L2

Все системы Земли, от погоды до биосферы, работают за счет того, что планета преобразует видимый свет, получаемый от Солнца, в излучение ИК-диапазона. Однако для «холодного» телескопа это рассеянное тепловое излучение Земли — огромная проблема, ведь для спутника на низкой орбите Земля занимает почти половину небосвода. Вот почему было решено отправить «Уэбб» подальше от Земли.

На прямой линии, проходящей через Солнце и Землю, есть две особенные точки, которые называют точками Лагранжа. Если в точку Лагранжа поместить космический аппарат, то притяжение обоих небесных тел сложится таким образом, что за год аппарат будет совершать ровно один оборот и вокруг Солнца, и вокруг Земли.

Если же поместить аппарат на некотором расстоянии от точки Лагранжа, он станет колебаться вокруг нее по причудливой траектории, которую называют гало-орбитой. Именно на такую орбиту вокруг точки L2 в полутора миллионах километров от Земли и отправился для работы телескоп «Джеймс Уэбб». Там ему не будет мешать земное тепло, а от солнечного защитит многослойный экран. Поскольку гало-орбита неустойчива, на борту предусмотрен запас топлива для периодической коррекции траектории.

Рецепты долгожителей

Срок службы

«Хаббл» — плановый 15 лет, фактический более 30 лет
«Джкймс Уэбб» — плановый 10 лет, ожидаемый 20 лет

Срок работы космических аппаратов зависит от многих факторов. Для «Хаббла» самым критическим было моральное устаревание астрономической аппаратуры.

1990-е годы были эпохой революционного прогресса в области цифровых камер. То, что на момент создания «Хаббла» было вершиной технологических возможностей, к началу XXI века стало доступным в любом магазине бытовой электроники.

Положение спасали пилотируемые экспедиции на шаттлах, которые обновляли научное оборудование. Всего таких экспедиций было пять, и они прекратились в связи со списанием шаттлов. В случае «Джеймса Уэбба» срок эксплуатации ограничивается запасами жидкостей на борту, в первую очередь топлива.

Однако вскоре после запуска, который выполнялся ракетой «Ариан-5» с космодрома Куру во Французской Гвиане, в NASA сообщили, что «Уэбб», как и «Хаббл», тоже может стать долгожителем. Ракета настолько точно вывела телескоп на расчетную траекторию, что удалось сэкономить значительное количество топлива на коррекциях, и его, вероятно, хватит на поддержание гало-орбиты в течение 20 лет.

Конечно, гелий за это время кончится и наблюдения в среднем ИК-диапазоне прекратятся, но инструменты видимого и ближнего ИК-диапазона смогут работать.

Также критическим элементом в конструкции «Хаббла» оказались гироскопы — быстро вращающиеся маховики, поддерживающие ориентацию телескопа. Астронавты неоднократно их меняли, и сейчас оставшийся ресурс гироскопов определяет, сколько сможет протянуть «Хаббл».

Поскольку «Уэбб» находится от Земли втрое дальше Луны, рассчитывать на его обслуживание астронавтами не приходится. Учитывая проблемы, конструкторы «Уэбба» добавили к телескопу небольшой солнечный парус. Подставляя его под солнечные лучи, телескоп использует их давление для снижения скорости вращения гироскопов, уменьшая их износ.

Туманность Пузырь, известная также как NGC 7635, расположена в 8000 световых лет от нас. Фото сделано телескопом «Хаббл» в 2016 году

Астрономические цены

Затраты на инструменты (в ценах 2021 года)

«Хаббл» — 16 млрд долларов от старта проекта в 1978 году (6 млрд долларов на момент запуска в 1990 году)
«Джеймс Уэбб» — 11 млрд долларов от старта проекта в 1996 году

Большие научные проекты всегда выходят за рамки бюджета, а чиновники всегда стараются на них сэкономить. История «Хаббла» начинается в 1974 году, когда в NASA был анонсирован проект Большого космического телескопа.

Однако конгресс в том же году отменил финансирование из-за экономического кризиса, и первые средства в размере 36 млн долларов были выделены только в 1978 году.

Первоначально виделось, что стоимость инструмента составит 400 млн долларов (1,7 млрд в современных ценах). Однако в итоге только главное зеркало телескопа обошлось в 450 млн, хотя первоначально его законтрактовали за 70 млн. В целом же стоимость «Хаббла» к моменту запуска превысила первоначальные ожидания в 3,5 раза.

Похожая история случилась и с «Уэббом». Его задумали еще в 1985 году, и тогда даже была смелая идея предложить строить космический телескоп нового поколения совместно с СССР. Впрочем, дальше картинки в одном из документов NASA этот замысел не пошел.

Всерьез о проекте стали говорить только в 1990-х, и тогда он представлялся как 8-метровый телескоп, работающий за орбитой Марса, чтобы снизить влияние света рассеиваемого межпланетной пылью. При этом стоимость проекта оценивалась в 500 млн долларов. Дальше год от года стоимость проекта росла, амбициозность снижалась, а сроки отодвигались.

Когда в 2007 году вместо планируемого запуска удалось лишь приступить к изготовлению телескопа, оценка стоимости выросла в 10 раз. Когда в 2011 году затраты увеличились до 8,7 млрд, а запуск сдвинулся на 2018 год, конгресс едва не свернул проект, съедавший значительную часть научного бюджета NASA.

И все же космический телескоп удалось отстоять. Его итоговая стоимость в 13 раз превысила первоначальную, и сегодня в космосе работает самый дорогой на момент введения в строй научный инструмент, побивший рекорд, установленный в 2008 году Большим адронным коллайдером (10 млрд долларов в ценах 2021 года).

Но так ли это много? Если сравнить стоимость «Джеймса Уэбба» с американским ВВП за 26 лет работы над проектом, это составит около двух тысячных процента (0,002%) американской экономики. Чтобы было понятнее, это как 1 рубль из зарплаты в 50 тысяч рублей.

Или вот другое сравнение. Средний житель Земли читает около 15 книг в год, за 26 лет это составит примерно сто тысяч страниц. Если хотя бы на двух из этих страниц были снимки дальнего космоса или говорилось о его исследованиях, то это уже оправдало затраты на запуск космического телескопа. Вы, дочитав статью до конца, уже вчетверо перевыполнили эту норму.

_{Фото: NASA; D. DUCROS / ESA, NASA; ESA / HUBBLE AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM; NASA; ESA; G. ILLINGWORTH, D. MAGEE, AND P. OESCH, UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ; R. BOUWENS, LEIDEN UNIVERSITY; AND THE HUDF09 TEAM; NASA, ESA / HUBBLE AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM}

vokrugsveta.ru