Что космический телескоп Джеймса Уэбба расскажет нам о Вселенной
Свет космической зари всегда нисходил к нам, неся рассказы с края самого времени. И теперь с помощью JWST мы наконец можем встретиться.
В 15:20 по московскому времени 25 декабря 2021 года на борту ракеты Ariane 5 космический телескоп Джеймса Уэбба стартовал из сердца теплого вечнозеленого леса в холодное темное пространство в поисках начала Вселенной.
Откроет ли космический телескоп Джеймса Уэбба новые миры? Заполнит пробелы в химической эволюции? Расскажет нам о том, как зародилась жизнь? Прежде чем мы попадем в будущее, давайте отмотаем в прошлое эту гигантскую машину времени!
Почему название "Джеймс Уэбб"?
Когда в 1989 году начался первый мозговой штурм по поводу этого телескопа, он назывался NGST или Next Generation Space Telescope. Только в августе 2002 года он получил свое нынешнее название — Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST).
NASA переименовало его в честь своего администратора во время лунных полетов "Аполлона". Во время космической гонки времен холодной войны, когда высадка на Луну была единственной миссией, Джеймс Уэбб видел в НАСА нечто большее. Он выступал за то, чтобы НАСА проводило собственные научные исследования наряду с исследованиями пилотируемых космических полетов.
Он не был инженером или ученым, а юристом по профессии, но его вклад изменил американскую отрасль научных космических исследований на многие годы вперед.
Что особенного в этом телескопе?
Да все! Представьте себе оригами весом 6,5 тонны (на Земле), искусно сконструированное оригами, которое может поместиться в ракету и взлететь в космос, а затем развернуться в космосе и сфотографировать изображения молодых галактик, формирующихся из темноты ранней Вселенной. Это преемник космического телескопа "Хаббл" с увеличенным в 15 раз полем зрения. В 6,5 раз больше площадь сбора, что делает его достаточно мощным, чтобы уловить слабое свечение после большого взрыва.
Золотой глаз
Если вы когда-нибудь искали информацию о JWST или случайно наткнулись на его изображение во время путешествия по Интернету, то вас наверняка ослепило гигантское золотое блюдо, похожее на соты. Это основное зеркало телескопа, состоящее из 18 шестиугольных бериллиевых зеркал, покрытых золотом. Эта огромная сеть зеркал, простирающаяся на 6,5 метров, позволит JWST собирать инфракрасный свет от звезд из далеких-далеких галактик.
Телескоп имеет трехзеркальную систему. Первичное зеркало действует как большой бассейн для сбора света, откуда свет отражается на вторичное зеркало, затем на третичное зеркало и, наконец, на зеркало тонкого управления для стабилизации изображения. С каждым шагом свет становится все более сфокусированным, что приводит к получению более четкого изображения, когда оно попадает в камеру телескопа.
Почему бериллий и золото?
Они не могли использовать наше обычное зеркало, сделанное из стекла, потому что оно не сможет долго продержаться в космосе, к тому же оно обычно довольно тяжелое. Команда JWST искала что-то легкое, прочное, способное выдерживать широкий диапазон температур. Оно также должно было быть хорошим проводником тепла и электричества, но при этом немагнитным, чтобы не мешать другим компонентам телескопа. Их поиски закончились, когда глубоко в сердце заповедной земли Ваканда они обнаружили вибраниум.
Шутка.
На самом деле они использовали бериллий (Be), стальной серый металл, который занимает 4-е место в периодической таблице и обладает всеми упомянутыми выше свойствами. Зеркала начали свое путешествие в шахтах Be в штате Юта. Затем они сделали еще 13 остановок в США, отполировали до зеркального блеска и, наконец, отправили на золотое покрытие.
Для покрытия всего зеркала потребовалось всего 48 гм золота (размером с мяч для гольфа). Слой золота толщиной 100 нанометров (1/1000 толщины волоса) был нанесен на зеркала методом осаждения из паровой фазы. Причина покрытия их золотом заключается в улучшении инфракрасного отражения зеркал.
Солнцезащитные экраны
Чтобы инфракрасный телескоп мог обнаружить слабый свет далеких звезд, он всегда должен оставаться холодным. Как же уберечь гигантское зеркало от солнечного света и нагрева? Конечно же, построить для него зонтик размером с теннисный корт.
Солнцезащитный экран на JWST представляет собой 5-слойную структуру, расположенную между солнечными панелями и главным зеркалом, создавая барьер между компонентами, которые ищут солнце и должны от него прятаться. Солнцезащитный экран не только обеспечивает защиту от солнца, но и охлаждает зеркальную сторону телескопа до -223 ⁰C. Это стало возможным благодаря 5-слойной структуре с зазором между каждым слоем, который обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем одна толстая мембрана.
Из чего сделаны солнцезащитные экраны?
Каждый слой состоит из тонкой полиимидной пленки Kapton, которая дополнительно покрыта легированным кремнием и алюминием. Легированный кремний блокирует попадание солнечного света на инфракрасные чувствительные приборы под солнцезащитным экраном. Он излучает большую часть света и тепла, получаемого от солнца, а оставшаяся часть отражается от высокоотражающего алюминиевого покрытия.
Кроме того, эти электропроводящие покрытия держат солнцезащитный щиток заземленным и предотвращают накопление статического электричества.
Во время полета вокруг своей родной L2 - точки Лагранжа, удаленной от нас на 1,5 миллиона километров, — солнцезащитный экран может столкнуться с летящими космическими камнями, что может привести к разрыву слоев. Чтобы предотвратить превращение небольшого разрыва в большую дыру, слои Kapton имеют "ограничители разрыва" через каждые 6 футов, созданные с помощью процесса, называемого термическим точечным склеиванием.
Так зачем же проходить через всю эту волокиту и отправлять его в космос, а не устанавливать на Земле? Все сводится к тому, что JWST является инфракрасным телескопом.
Зачем инфракрасный телескоп в космосе?
Как мы знаем, Вселенная расширяется; она удаляется, пока вы это читаете. А любая форма электромагнитной волны, удаляющаяся от точки отсчета (здесь это мы), претерпевает красное смещение. Любой свет с края времени сейчас превратился бы в инфракрасный из-за растяжения.
В отличие от видимого света, инфракрасный свет из-за своей большей длины волны не так легко отражается и может легко проникать сквозь пылевые облака, давая нам четкое представление о далеких звездных яслях. Инфракрасные датчики также облегчают обнаружение молодых звезд, которые недостаточно горячи и ярки для видимого света, но излучают инфракрасное излучение.
Когда дело доходит до того, чтобы сиять, как звезда, мы не сильно отстаем. Все люди и большинство вещей вокруг нас светятся достаточно ярко в инфракрасном диапазоне, чтобы мешать телескопу.
Поэтому поиск небесных объектов с помощью наземного инфракрасного телескопа будет похож на поиск светящегося червя в яркий солнечный день.
Раскроет ли он больше космической химии?
Теперь ученые смогут завершить головоломку, которая представляет собой химическое обогащение Вселенной. Это позволит обнаружить химические сигнатуры галактик, образовавшихся миллиарды лет назад, и сравнить их с более новыми системами.
Это позволит определить скорость, с которой водород и гелий медленно сплавлялись, образуя более тяжелые элементы и создавая все во Вселенной.
Чувствительность JWST к среднему инфракрасному излучению делает его отличным инструментом для поиска таких компонентов жизни, как вода, углекислый газ и метан. Мощный глаз телескопа может измерять спектры излучения молекул из протопланетных дисков и атмосфер, окружающих землеподобные экзопланеты. Составление карты их химического состава может подсказать нам, может ли на них существовать или когда-то существовала жизнь.
Химические исследования JWST могут дать ключ к разгадке нашего происхождения на Земле и возможности существования внеземной жизни.
После 30 лет разработки, проектирования, продумывания наихудших сценариев и выработки решений для них, космический телескоп стоимостью 10 миллиардов долларов наконец-то запущен. Тысячи людей из 14 разных стран собрались вместе, чтобы создать машину времени, которая обеспечит нам беспрепятственный обзор Вселенной. Смело идти (визуально) туда, куда еще не ступала нога человека.
Что касается вопроса, что мы сможем увидеть с помощью JWST? Американский физик Джон Мазер, старший научный сотрудник проекта JWST, любит говорить об этом так: "Мы очень далеки от того, чтобы предсказать, что мы сможем увидеть, пока мы этого не увидим. Может произойти все что угодно..."