Серед телескопів космічного базування, які досі використовували астрономи, з’явився новий флагман.

Ним став телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST), який 25 грудня 2021 року з космодрому Куру в Французькій Гвіані вивела в космос ракета-носій Аріан-5. Протягом наступного місяця телескоп буде рухатися в місце свого постійного стояння в космічному просторі. Якщо розгортання телескопа до робочого стану пройде без проблем, то наукові спостереження він розпочне за пів року після старту із Землі.

Чому телескоп Джеймса Вебба флагман, тобто перший серед інших?

Основний елемент будь-якого телескопа — це його об’єктив (в сучасних професійних телескопах зазвичай ним є вигнуте дзеркало), що збирає і фокусує випромінювання від небесних тіл. Що більший розмір дзеркала телескопа, то більші можливості він дає астрономам для вивчення Всесвіту. Тому той телескоп, що має дзеркало найбільшого діаметра, займає перше місце серед усіх інших таких інструментів. Оскільки нині в космосі працює низка телескопів, які в сукупності інколи називають флотилією, то серед них завжди виокремлюють телескоп-флагман. Досі таким був Космічний телескоп імені Габбла (Hubble Space Telescope, HST).

Порівняння розмірів телескопів «Вебб» і «Габбл» з висотою людини. Малюнок з сайту Центру космічних польотів імені Ґоддарда NASA.

JWST часто називають наступником HST. Це так і, водночас, не зовсім так. Науковий прогрес полягає в тому, щоб «стояти на плечах гігантів», і в цьому сенсі телескоп Джеймса Вебба справді наступник «Габбла», бо його наукові цілі мотивовані результатами, які астрономи отримали завдяки HST. Однак можливості цих телескопів різні: «Габбл» виконував спостереження в ультрафіолетовому, видимому, й частково інфрачервоному світлі, а «Вебб» — тільки в червоній ділянці видимого світла та в інфрачервоному діапазоні.

Діапазони електромагнітного спектра, в яких спостерігає Космічний телескоп імені Габбла і буде спостерігати телескоп Джеймса Вебба. Він тільки частково буде «бачити» видиме світло в червоній ділянці, а основний його діапазон — це інфрачервоне випромінювання. Фото з сайту NASA.

За можливостями JWST має перевершити HST: в інфрачервоних ділянках електромагнітного спектра він буде спостерігати далі, ніж «Габбл». Це означає, що за його допомогою астрономи зможуть побачити більш ранню історію нашого всесвіту.

Планова тривалість роботи JWST становить п’ять років, а верхня її межа, яку визначає кількість палива на борту космічного зонда, — десять років.

Наукові завдання

Телескоп Джеймса Вебба реєструватиме випромінювання небесних об’єктів у межах від червоного видимого до середнього інфрачервоного діапазонів (від 0,6 до 28,8 мкм) електромагнітного спектра. Це означає, що Вебб міг би «бачити» як відбите сонячне світло, так і виділене тепло від джмеля з відстані, що дорівнює відстані від Землі до Місяця.

За допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба астрономи планують працювати за чотирма основними напрямами: реєстрація першого світла у Всесвіті; вивчення процесів формування галактик у ранньому Всесвіті; вивчення процесів народження зір і протопланетних систем, а також пошук і дослідження екзопланет (зокрема їх придатність для життя).

Часові межі, куди зможе «зазирнути» телескоп Джеймса Вебба. Фото з сайту NASA, адаптоване ВЦ «Наше небо».

Зрозуміло, астрономи будуть також використовувати JWST для спостережень інших космічних об’єктів, зокрема тіл Сонячної системи. Фактично за його допомогою науковці вивчатимуть кожну фазу космічної історії — від Сонячної системи до найвіддаленіших галактик раннього Всесвіту, які можна спостерігати.

Перші наукові результати, які планують отримати за допомогою телескопа Джеймса Вебба, передбачені в рамках програми Early Release Science. Її сформували на основі 13 пропозицій, дібраних із понад 100 заявок від наукових груп, які включали понад 4000 астрономів з усього світу. (Усі астрономи звідусіль мали право подавати свої ідеї.)

Телескоп Джеймса Вебба міститиметься в другій точці Лагранжа L2 — це місце в міжпланетному просторі в системі Земля-Сонце, де гравітаційні сили та орбітальний рух тіла врівноважують один одного. Таким чином, об’єкт може відносно легко «зависати» в L2, тобто на підтримку його орбіти не доведеться витрачати багато палива. Ця точка лежить на відстані 1,5 мільйона км від Землі (позаду неї, якщо дивитися на неї з Сонця), що приблизно вчетверо більше, ніж відстань до Місяця. Тобто телескоп перебуватиме повсякчас на нічній стороні нашої планети і на великій відстані від неї. Ця обставина була визначальною при виборі місця стояння телескопа. Після виходу в космос, «Вебб» протягом 30 днів дістанеться точки L2.

Телескоп Джеймса Вебба міститиметься в другій точці Лагранжа L2 — це місце в міжпланетному просторі в системі Земля-Сонце. Фото з сайту https://www.planetary.org/space-images/webbs-special-orbit, адаптоване ВЦ «Наше небо».

У точці Лагранжа L2 вже працювали кілька інших космічних телескопів, зокрема телескоп Herschel («Гершель») та обсерваторія Planck («Планк») Європейського космічного агентства.

Оснащення і наукове обладнання

Діаметр головного дзеркала телескопа Джеймса Вебба становить 6,5 метрів. Воно не суцільне, а складене з 18 менших шестикутних дзеркал. Їх виготовлено з берилію й покрито тонким шаром золота, щоб поверхня максимально відбивала інфрачервоне світло від об’єктів Всесвіту. Дзеркало Вебба може зібрати вшестеро більше світла, ніж дзеркало Космічного телескопа імені Габбла.

Порівняльні розміри головних дзеркал телескопа Джеймса Вебба і Космічного телескопа імені Габбла. Фото з сайту NASA, адаптоване ВЦ «Наше небо».

Світло, відбите головним дзеркалом, потім потрапляє на 74-сантиметрове вторинне дзеркало, яке розташоване навпроти великого. Від нього світло через отвір у центрі головного дзеркала надходить в телескоп, де третинне дзеркало направляє його на приймачі, тобто наукові інструменти.

Телескоп оснащено чотирма науковими інструменти, які разом виконують два основні завдання: будують зображення космічних об’єктів і розкладають світло (метод спектроскопії) на окремі довжини хвиль для вивчення фізичних та хімічних властивостей космічної речовини.

Оскільки «Вебб» спостерігатиме в інфрачервоному світлі, тобто фіксуватиме тепло, то щоб «побачити» слабкі об’єкти в такому світлі, телескоп має бути дуже холодним. Інакше він реєструватиме власне інфрачервоне випромінювання. Задля цього його дзеркало та інструменти захищені п’ятишаровим сонцезахисним екраном, що своєю формою нагадує повітряного змія розміром з тенісний корт (21,1´14,6 метра). Його мембрани виготовлено з каптону, матеріалу, відомого своєю високою термостійкістю та стабільністю в широкому діапазоні температур. Для телескопа Джеймса Вебба ця властивість життєво важлива, бо на оберненій до Сонця стороні екран буде нагріватися до 110 градусів за Цельсієм, а інша сторона, над якою містяться дзеркало і наукові прилади, буде охолоджуватися до -234 °С.

Завдяки захисному екрану всі інструменти матимуть пасивне охолодження не менше -220 градусів за Цельсієм, або 50 кельвінів. Виняток становить Mid InfraRed Instrument (MIRI), камера і спектрограф, які матимуть активне охолодження до -266 °C, або 7 Кельвінів.

Телескоп також має «шину космічного зонда», де містяться його підсистеми для електроживлення, руху, зв’язку, орієнтації, обігріву окремих вузлів та обробки даних.

Маса космічного телескопа Джеймса Вебба становить 6,2 тонни, тобто приблизно стільки ж, скільки важить шкільний автобус. Хоча за розмірами JWST суттєво більший, ніж Космічний телескоп імені Габбла, але його маса майже вдвічі менша. Тут наявний прогрес в галузі матеріалознавства і технологіях створення складних механізмів.

Історія створення

Говорять, що історія телескопа, який назвали на честь Джеймса Вебба (керівник NASA протягом 1961—1968 років), розпочалася понад 30 років тому в Науковому інституті космічного телескопа (Space Telescope Science Institute, STScI) зі слів директора інституту Ріккардо Джакконі «подумати про наступну велику місію після Габбла».

Портрет Джеймса Вебба, який очолював NASA протягом 1961—1968 років і на честь якого названо новий флагманський телескоп цього космічного агентства. Фото з сайту NASA.

У 1995 році астрономи підготували звіт під назвою «HST and Beyond», в якому окреслили концепцію та наукові вимоги до телескопа, що зрештою стане JWST. Розробка телескопа почалася в 1996 році з бюджетом 500 мільйонів доларів. Спочатку його запуск планували на 2007 рік. Але роботи відбувалися із затримкою і перевищенням витрат і тому в 2005 р. проєкт телескопа зазнав серйозної модернізації. Пізніше запуск планували здійснити в інші роки (2014, 2015, 2018 і далі), але старт відбувся тільки наприкінці 2021 року.

Космічний телескоп Джеймса Вебба — результат міжнародної співпраці між NASA, Європейським космічним агентством та Канадським космічним агентством. У його створенні брали участь 258 компаній, агенцій та університетів: 142 зі Сполучених Штатів, 104 з 12 європейських країн і 12 з Канади.

Загальні витрати на телескоп Джеймса Вебба становлять близько 10 млрд доларів США.

За інформацією з відкритих джерел підготував Іван Крячко