«Уэбб»: наследник великих космических обсерваторий
Значительная часть достижений современной астрономии за последние несколько десятков лет связана с космическими обсерваториями. Именно они сделали астрономию всеволновой, позволяя исследовать Вселенную во всех диапазонах электромагнитных волн. Особенно много данных было получено крупнейшими из космических обсерваторий, в первую очередь — телескопом имени Эдвина Хаббла, который находится на орбите уже более 30 лет. И вот к ним присоединяется телескоп имени Джеймса Уэбба, запуск которого в самом конце 2021 года некоторые комментаторы уже назвали историческим событием. Что же это за телескоп и чего нам от него ждать?
Зачем астрономам космические телескопы?
Земная атмосфера пропускает электромагнитное излучение лишь в двух диапазонах длин волн, получивших название окон прозрачности. Первое соответствует видимому свету и небольшой части прилегающего ультрафиолетового и инфракрасного излучения, второе — радиоволнам. Именно поэтому на Земле строят телескопы, работающие только в этих диапазонах. Для других диапазонов — гамма, рентгеновского, большей части ультрафиолетового и инфракрасного — атмосфера непрозрачна из-за поглощения и рассеяния волн на молекулах и атомах газов. В частности, инфракрасное излучение хорошо поглощается водяным паром. Кроме того, наблюдениям в первом окне прозрачности мешает свечение и загрязнение атмосферы, а также мерцания, порождаемые неоднородностями воздуха, которые размывают изображения. Так что большие телескопы строят в местах с очень чистым и сухим воздухом — на горах и в пустынях (см. статью К. Масленникова «В астрономическом раю. Заметки пулковского астронома о путешествии в Чили, в обсерватории ESO», «Наука и жизнь» № 1, 2019 г.). Стоящие на этих телескопах уникальные системы адаптивной оптики могут корректировать размытие, анализируя свет от эталонных звёзд или искусственных источников, создаваемых мощными лазерами. Однако при этом телескопы получают доступ только к небольшой части неба. Так что за сверхчёткими изображениями на больших площадях и исследованиями на всех длинах волн приходится отправляться в космос, за пределы атмосферы. Тем не менее при всех своих достоинствах у космических обсерваторий есть важный недостаток: они очень дороги и, как правило, их нельзя обслуживать.
Среди более сотни уже запущенных космических телескопов особняком стоят так называемые Великие обсерватории, которые благодаря своим уникальным возможностям внесли существенный вклад в астрономию. Первоначально так называлась программа NASA по запуску четырёх самых больших по тем временам космических телескопов. Каждая из этих обсерваторий должна была исследовать свою область электромагнитного спектра, поскольку создать аппаратуру, эффективно работающую на всех длинах волн, невозможно. «Хаббл» — космический телескоп для наблюдений в видимом диапазоне и в ближней ультрафиолетовой области спектра — был запущен в 1990 году. За ним в 1991 году последовала гамма-обсерватория «Комптон». В 1999 году пришёл черёд рентгеновской обсерватории «Чандра». И последним в 2003 году на старт вышел космический телескоп «Спитцер», предназначенный для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне.
Итак, новый космический телескоп
25 декабря 2021 года с европейского космодрома во Французской Гвиане (Южная Америка) стартовал космический телескоп «Джеймс Уэбб» (The James Webb Space Telescope, JWST), который, я полагаю, скоро по традиции будут называть коротко одним словом «Уэбб». На сегодняшний день это крупнейшая и самая сложная в мире обсерватория, которая будет работать в основном в инфракрасном диапазоне. У неё четыре современных научных инструмента с высокочувствительными инфракрасными детекторами беспрецедентного разрешения, что позволит получать на этих длинах волн изображения с гораздо большей чёткостью, чем когда-либо прежде. Так что её тоже по праву можно отнести к разряду великих.
В создании космической обсерватории стоимостью около 10 миллиардов долларов США участвовало 14 стран. Ведущая организация проекта — NASA (США), но значительный вклад внесли также Европейское космическое агентство (ESA) и Канадское космическое агентство (CSA). Столь фантастические затраты подвигли в 2010 году журнал «Nature» охарактеризовать JWST как «телескоп, который съел астрономию», намекая, что этот проект угрожал финансированию других программ. А ведь тогда планировалось затратить «всего» $6,5 млрд. Для сравнения, на момент запуска «Хаббла» было затрачено $2,5 млрд.
С лёгкой руки NASA новую обсерваторию сейчас все стали рассматривать как продолжателя дела «Хаббла», хотя по используемому диапазону она, скорее, наследница «Спитцера» или «Гершеля», в 2009 году сменившего «Спитцер» на посту самой крупной инфракрасной космической обсерватории. Возможно, что это просто традиция, поскольку идея строительства подобного телескопа возникла ещё в 1996 году, когда американские астрономы выпустили доклад «Космический телескоп ”Хаббл” и не только» («HST and Beyond»). Любопытно, что в 1997 году планируемой датой запуска JWST был назначен 2007 год. А, возможно, пиарщики из NASA сочли, что «Хаббл», будучи пионерским проектом, наиболее известен и успешен. И, самое главное, он до сих пор работает, несмотря на имевшие место проблемы. А вот основная миссия «Спитцера» завершилась ещё в 2009 году, когда на телескопе закончился запас хладагента, обеспечивающего его работу. Хотя официально было объявлено о завершении работы обсерватории только в 2020 году. «Гершель» же прекратил свою работу в 2013-м. Возможно, в NASA надеются, что на «Уэбб» распространится долгожительство «Хаббла». Однако следует учитывать, что «Хаббл» находится на околоземной орбите и его можно обслуживать с помощью шаттлов, а вот с «Уэббом» так сделать не получится, поскольку он расположится значительно дальше.
Проектная продолжительность основной миссии JWST должна быть не менее 5,5 лет. Срок его службы в итоге ограничен количеством топлива, используемым для поддержания орбиты, и правильным функционированием космического корабля и инструментов обсерватории. «Уэбб» несёт с собой топливо, которого с запасом должно хватить на работу в течение 10 лет. После успешного старта и первых двух коррекций орбиты команда «Уэбба» в своём блоге 29 декабря сообщила, что благодаря точности проведения этих операций удалось сэкономить часть топлива, и это, возможно, позволит обсерватории проработать значительно дольше 10 лет. Остаётся надеяться, что аппаратура обсерватории не подведёт.
Любопытно, что новый телескоп нарушил традицию присваивать обсерваториям имена выдающихся учёных. В 2002 году он был переименован в честь Джеймса Э. Уэбба (1906—1992), второго руководителя NASA (1961—1968), известного прежде всего тем, что он возглавлял серию программ исследования Луны «Аполлон», в результате которых на Луну высадились первые люди. Первоначально же его назвали «Космический телескоп нового поколения» (NGST).
Научные задачи JWST, и почему для их решения нужен именно инфракрасный телескоп
У «Уэбба» четыре глобальные цели исследований.
- Поиск первых галактик или иных светящихся объектов, образовавшихся вскоре после Большого взрыва.
- Исследование эволюции галактик с момента их образования до настоящего времени.
- Наблюдение за формированием звёзд от первых стадий до образования планетных систем.
- Измерение физических и химических свойств планетных систем, включая нашу Солнечную систему, и исследование возможности существования там жизни.
Почему же для решения этих задач важны исследования именно в инфракрасном диапазоне? Укажем основные факторы.
Формирующиеся звёзды и планеты скрыты за коконами пыли, которые поглощают видимый свет и более коротковолновое излучение. За газопылевыми облаками прячутся целые области звездообразования и другие интересные регионы космоса, например, центр нашей Галактики. Однако инфракрасный свет, излучаемый этими объектами, проникает сквозь пылевую завесу благодаря тому, что излучение с большей длиной волны меньше задерживается мелкими частицами пыли. Таким образом, наблюдая излучаемый свет в инфракрасном диапазоне, можно увидеть то, что находится внутри облаков и за ними.
Астрономы обычно делят инфракрасный диапазон на три области: ближний инфракрасный (0,7—5 микрометров, 1 мкм = 10-6 м — одна миллионная метра, микрон), средний инфракрасный (5—30 мкм) и дальний инфракрасный (30—1000 мкм). Космический телескоп «Уэбб» будет работать в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, немного прихватывая видимый диапазон вплоть до жёлтого цвета (0,6—28,5 мкм). «Спитцер» в основном работал в среднем (3,6—160 мкм), а вот «Гершель» — в дальнем инфракрасном диапазоне (55—672 мкм). Это определялось другой задачей. «Гершель» искал активные звездообразующие галактики, которые излучают большую часть своей энергии именно в этом диапазоне.