Самый дорогой научный прибор в истории

Двадцать пятого декабря 2021 года ракета «Ариан-5» должна поднять в космос телескоп имени Джеймса Уэбба — самую передовую в человеческой истории космическую обсерваторию. Столь сложный и дорогой научный инструмент человечество до сих пор еще не создавало — и уж тем более такое до сих пор не запускали в космос.

NASA / Chris Gunn (CC BY)

Проект нового космического телескопа — от замысла до запуска — растянулся более чем на 25 лет. За это время его бюджет вырос на порядок и сейчас стоимость создания этого инструмента оценивается в 10-11 миллиардов долларов, что, например, вдвое превышает бюджет сооружения Большого адронного коллайдера. В какой-то момент даже некоторые ученые скептически высказывались о разработке «Уэбба», говоря, что новый космический телескоп съедает слишком большую часть научного бюджета NASA. В 2011 году Конгресс едва не прекратил проект, но его все же удалось отстоять. И вот телескоп полностью готов. Приближается момент истины: судьба этого колоссального труда решится во время запуска и последующего месяца развертывания сложнейшей конструкции — вплоть до выхода инструмента на расчетную орбиту вокруг точки Лагранжа в полутора миллионах километров от Земли. 

Смена пришла

Телескоп «Уэбб» приходит на смену самому знаменитому астрономическому инструменту — запущенному в 1990 году космическому телескопу «Хаббл». «Хаббл» позволил сделать массу замечательных открытий — это и ускоренное расширение Вселенной, и широкое распространение центральных черных дыр в галактиках, и многочисленные гравитационные линзы, позволяющие уточнить распределение темной материи во Вселенной. А еще «Хаббл» кардинально изменил образ астрономии в глазах широкой публики. Именно ему мы обязаны теми полноцветными детально прорисованными снимками объектов глубокого космоса, которые сегодня стали такими привычными. 

Астрономам, ведущим наблюдения сквозь толщу атмосферы с помощью наземных телескопов, трудно получить снимки такого качества. Во-первых, дрожание воздуха размывает изображение, не позволяя крупным телескопам достигать предельного теоретического разрешения. Впрочем, с этой проблемой за последние 30 лет научились бороться с помощью адаптивной оптики: для компенсации вносимых атмосферой искажений, в реальном времени слегка изгибают зеркало телескопа. 

Во-вторых, естественное свечение атмосферы не позволяет видеть слабые объекты, поверхностная яркость которых ниже яркости неба. Все видели, как бледно выглядит днем Луна – ее поверхностная яркость сравнима с фоном дневного неба. Будь она немного слабее, ее бы вовсе не было видно. Точно так же туманности и галактики с низкой поверхностной яркостью невозможно увидеть с Земли, поскольку они тонут на фоне ночного неба. И с этим без вывода телескопа в космос ничего не поделать.

Диаметр главного зеркала «Уэбба» составляет 6,6 метра против 2,4 метра у «Хаббла», а светособирающая поверхность соответственно выросла в шесть с лишним раз — до 25,4 м2. Однако было бы неправильно считать новый инструмент просто увеличенным «Хабблом». Главное отличие касается рабочего спектрального диапазона. «Хаббл» — это оптический инструмент, работающий прежде всего в видимом диапазоне (плюс ближние ИК и УФ). «Уэбб» будет наблюдать в среднем инфракрасном диапазоне. 

Одно из изображений, полученное «Хабблом» / NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) и Z. Levay (STScI)
Одно из изображений, полученное «Хабблом» / NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) и Z. Levay (STScI)

Инфракрасные надежды

Наземные наблюдения ограничены окнами прозрачности атмосферы, которые не очень велики. Оптическое окно прозрачности немного шире диапазона видимого излучения — с длинами волн от 300 до 2000 нанометров (нм). Радиоокно охватывает диапазон от 1 миллиметра по 20 метров. В остальной части спектра полноценные наблюдения можно вести только из космоса. Особый интерес для астрофизики представляет инфракрасное излучение, находящееся за оптическим окном прозрачности. 

Из-за космологического красного смещения свет далеких галактик смещается в сторону более длинных волн. Из-за этого ни «Хаббл», ни наземные телескопы не могут видеть свет первых появившихся во Вселенной звезд, тех самых, что образовались после Большого взрыва из смеси водорода и гелия еще без примеси тяжелых элементов. Эти звезды, которые относятся к гипотетическому населению III типа, пока еще никто не наблюдал. Специалисты до сих пор спорят об их особенностях. Многие астрофизики считают, что первичные звезды могли быть значительно массивнее современных, быстро выгорали, обогащая среду тяжелыми элементами, и могли стать родоначальниками центральных черных дыр галактик. Предположительно, эти звезды начинают рождаться на красном смещении z = 25, и во столько же раз должна вырасти длина волны приходящего от них света: вместо видимого излучения 400-700 нм, к нам поступает инфракрасное излучение с длиной волны 10−20 мкм. Сейчас удается открывать галактики с z чуть больше 10, что соответствует возрасту Вселенной 400-500 миллионов лет, когда звезд уже было много, а их излучение быстро ионизировало межгалактическую среду. Телескоп «Уэбб» позволит заглянуть существенно дальше, вплоть до возраста 150 миллионов лет.

Другая,  не менее интересная, возможность, которую нам предоставит «Уэбб»  — шанс заглянуть внутрь «звездных колыбелей» нашей Галактики. Звезды рождаются при коллапсе межзвездных молекулярно-пылевых облаков. Но при уплотнении такие облака становятся непрозрачными для видимого света — его поглощает содержащаяся в них пыль. Поэтому «Хабблу» был доступен только их внешний вид. А вот инфракрасное излучение может выходить изнутри таких облаков, поскольку его длина волны в среднем больше размеров пылевых частиц. Более того, как раз в форме ИК-излучения такие облака, закрывшись от внешнего мира пылью, сбрасывают излишнее тепло, которое мешает коллапсу. Новый телескоп даст возможность заглянуть внутрь этих облаков и проверить теоретические представления о протекающих там процессах.

Наконец, одна из самых захватывающих тем — изучение холодных (то есть похожих по температуре на Землю) экзопланет. Их температуре как раз соответствует излучение среднего ИК-диапазона. Это те самые длины волн, на которых Земля рассеивает в космосе полученное от Солнца тепло. 

Полномасштабная солнцезащитная мембрана JWST, установленная на испытательном стенде в Мантехе, Хантсвилл, готова к точному измерению ее трехмерной формы / NASA JWST, Northrop Grumman Aerospace Systems (CC BY)
Полномасштабная солнцезащитная мембрана JWST, установленная на испытательном стенде в Мантехе, Хантсвилл, готова к точному измерению ее трехмерной формы / NASA JWST, Northrop Grumman Aerospace Systems (CC BY)

В космосе слишком жарко!

Однако именно из-за этого тепла Земли телескоп «Уэбб» нельзя выводить на низкую околоземную орбиту, подобно «Хабблу». На такой орбите почти вся нижняя полусфера занята нашей планетой, которая «светит» со средней температурой около 260 кельвинов, что как раз соответствует среднему инфракрасному диапазону. Такой обширный источник нельзя экранировать, а принудительно охлаждать огромное зеркало и всю остальную аппаратуру было бы чрезвычайно сложно. Поэтому для размещения «Уэбба» была выбрана точка Лагранжа L2, находящаяся в 1,5 млн км позади Земли, если смотреть со стороны Солнца. 

Точки Лагранжа — это места в системе двух обращающихся тел, в которых достигается неустойчивое равновесие для помещенной туда пробной частицы. В нашем случае два тела — это Солнце и Земля, а пробная частица — космический телескоп. В точке L2 телескоп обращается вокруг Солнца с тем же периодом, что и Земля — 1 год. Но как это возможно, если большая полуось его орбиты вокруг Солнца на 1,5 млн км больше земной? Казалось бы, по третьему закону Кеплера период обращения для такой орбиты должен быть на 5 дней больше. Всё дело в притяжении Земли. Оно создает как раз такую добавку к солнечному притяжению, что период обращения вокруг Солнца по расширенной орбите все-таки равен одному году. Следует также уточнить, что телескоп не будет размещаться строго в точке Лагранжа. Он будет двигаться вокруг нее по довольно сложной орбите радиусом около 800 тысяч километров. И хотя формально эта орбита неустойчива из-за возмущений со стороны других планет и Луны, а также давления солнечного излучения, для сохранения телескопа на нужной орбите достаточно будет минимальных коррекций траектории — на 2-4 м/с в год. 

Впрочем, удаление от Земли не решает до конца проблему с охлаждением инструмента. Ведь на орбите вокруг точки Лагранжа телескоп постоянно будет находиться на солнце. Однако, поскольку Солнце дает направленный свет, от него можно заслониться специальным экраном. На телескопе «Уэбб» он состоит из пяти слоев тонкой пленки, каждый площадью около 200 м2. Тот слой, что обращен к Солнцу, будет нагреваться до 85 °C. Эта пленка будет отдавать тепло примерно поровну в двух направлениях — обратно к Солнцу и в противоположную сторону — к следующему экрану. Тем самым до второго слоя пленки дойдет вдвое меньше энергии, и он нагреется меньше. Аналогично с остальными слоями и в итоге на теневой стороне температура будет составлять не более 40 кельвинов (−233 °C).

Это уже достаточно, чтобы не требовалось охлаждать зеркала, конструкцию и большинство научных приборов телескопа. Но один прибор — MIRI (Mid-Infrared Instrument), регистрирующий инфракрасное излучение, требует еще более глубокого охлаждения — до 6 кельвинов. Такой температуры можно достичь, только охлаждая аппаратуру жидким гелием, запас которого берется в огромном дьюаре весом 250 килограмм. По планам его должно хватить как минимум на 5 лет работы, но, возможно, удастся растянуть на 10 лет.

Без права на ошибку

И тут мы сталкиваемся с еще одним важным отличием от «Хаббла» — к телескопу «Уэбб» никак не получится отправить астронавтов для обслуживания. Напомним, что к «Хабблу» сервисные экспедиции на шаттлах отправлялись пять раз — беспрецедентный случай в истории космонавтики. Все началось с того, что после вывода «Хаббла» на орбиту выяснилось, что его главное зеркало изготовлено с ошибками, и не позволяет получать изображения приемлемого качества. Заменить его, конечно, было невозможно, но удалось спроектировать корректирующую систему, которую астронавты установили вместо одного из научных приборов (высокоскоростного фотометра). Впоследствии астронавты неоднократно меняли гироскопы стабилизации, которые имеют ограниченный ресурс, дозаправляли систему охлаждения жидким азотом и, самое главное, обновляли регистрирующие приборы. Ведь 1990-2000-е годы были периодом ускоренного развития ПЗС-матриц и процессоров — те детекторы, с которыми «Хаббл» стартовал, давали качество изображения примерно как у бытовой видеокамеры. 

Готово к тесту производительности сердце ближней инфракрасной камеры JWST. Это 16-мегапиксельная мозаика световых датчиков, она состоит из четырех отдельных чипов, установленных вместе с черной маской, закрывающей промежутки между чипами. / K. W. Don, University of Arizona (CC BY)
Готово к тесту производительности сердце ближней инфракрасной камеры JWST. Это 16-мегапиксельная мозаика световых датчиков, она состоит из четырех отдельных чипов, установленных вместе с черной маской, закрывающей промежутки между чипами. / K. W. Don, University of Arizona (CC BY)

Так вот — никаких шансов на подобное обслуживание в космосе у телескопа им. Джеймса Уэбба нет. Его рабочая орбита будет располагаться почти в четыре раза дальше Луны. Так далеко люди еще никогда не забирались. Да и сама конструкция телескопа не предполагает подобного вмешательства. А значит, если что-то пойдет не так, шансов наладить работу телескопа будет немного. При этом его конструкция неизмеримо сложнее, чем у «Хаббла». 

Позолоченный бериллий

В оптической системе телескопа использована трехзеркальная оптическая схема Корша, изобретенная в 1972 году. Двухзеркальная система Кассегрена, которая применяется в большинстве телескопов, в том числе в «Хаббле», не позволяет компенсировать все аберрации получаемого изображения. Система Корша исправляет одновременно сферическую аберрацию, кому, астигматизм и кривизну поля, то есть практически все основные недостатки оптики. При этом главное зеркало имеет параболическую форму, вторичное представляет собой выпуклый гиперболоид, а третичное — эксцентричный вогнутый эллипсоид. Только представьте, какой тут простор для возможных ошибок вроде той, которая была допущена с главным зеркалом «Хаббла». 

Оптическая схема телескопа «Джеймс Уэбб». Главное параболическое зеркало собирает излучение, вторичное гиперболическое увеличивает эффективное фокусное расстояние, третичное эллиптическое исправляет аберрации, а наклоны четвертого плоского подстроечного зеркала компенсируют небольшие отклонения в ориентации телескопа / STSCI.EDU
Оптическая схема телескопа «Джеймс Уэбб». Главное параболическое зеркало собирает излучение, вторичное гиперболическое увеличивает эффективное фокусное расстояние, третичное эллиптическое исправляет аберрации, а наклоны четвертого плоского подстроечного зеркала компенсируют небольшие отклонения в ориентации телескопа / STSCI.EDU

Но, конечно, главную сложность представлял дизайн основного зеркала «Уэбба». Ни одна ракета не может пока вывести в космос зеркало диаметром 6,6 м. И даже на Земле манипулировать таким зеркалом нелегко. Поэтому уже давно в крупных земных телескопах используются сегментированные зеркала, что позволяет значительно снизить вес конструкции. Зеркало «Уэбба» составлено из 18 шестиугольных сегментов, которые при работе должны быть выровнены с точностью до десятков нанометров — иначе качественного изображения не получить.

На Земле такие зеркала разгружаются на специальные актуаторы — регулируемые опоры, которые крепятся на жесткой раме, охватывающей весь поперечник зеркала. Но для космического телескопа «Уэбба» зеркало пришлось делать складным: две группы по три шестиугольных сегмента при старте повернуты под углом более 90° к центральной части и должны быть развернуты уже после старта на пути к целевой орбите. 

Технология изготовления самих зеркал тоже была необычной. Достаточно сказать, что ради сокращения веса их решили делать не из стекла, как у «Хаббла», а из бериллия. Он был выбран не только потому, что это очень легкий металл, но и потому, что он не испытывает значительных деформаций при криогенных температурах. С тыльной стороны в бериллиевых заготовках выфрезерованы пазы, чтобы снизить вес, а форма поддерживается за счет оставленных ребер жесткости. Поверхность зеркал покрыта золотом, поскольку оно хорошо отражает инфракрасное излучение во всем рабочем диапазоне длин волн. 

Техники и инженеры тестируют сложную систему разворачивания рабочих поверхностей телескопа / NASA, Chris Gunn (CC BY)
Техники и инженеры тестируют сложную систему разворачивания рабочих поверхностей телескопа / NASA, Chris Gunn (CC BY)

План полета

А теперь проследим мысленно за планом полета телескопа от старта до выхода на расчетную орбиту. Подъем через атмосферу займет всего 3,2 минуты, но это только самый первый этап, впереди еще целая череда критически важных операций. После отделения от ракеты-носителя запускается разгонный блок, которому предстоит проработать 27 минут, чтобы направить телескоп к его рабочей орбите. Сразу после отделения от разгонного блока разворачивается панель солнечных батарей. Через несколько часов после этого на Землю нацеливается узконаправленная антенна для высокоскоростной связи. 

На третий день полета (операции могут быть сдвинуты по времени) начинается одна из самых тонких процедур — разворачивание солнцезащитных экранов. По сторонам от телескопа выдвигаются телескопические мачты, на которых растягиваются пять слоев пленки толщиной меньше волоса. Насколько рискованны подобные операции, мы знаем по опыту межпланетной станции «Галилео», которой после старта к Юпитеру так и не удалось развернуть большую антенну для связи с Землей — по всей вероятности, тогда помешал эффект вакуумной сварки, когда трущиеся металлические детали в вакууме намертво привариваются друг к другу. 

На одном из концов солнцезащитного экрана дополнительно разворачивается «плавник». Подставляя его под солнечный свет или, наоборот, складывая его, телескоп может сбрасывать лишний момент импульса (вращение) за счет эффекта солнечного паруса (давления света). Это позволяет не перегружать гироскопы стабилизации, которые, по опыту «Хаббла», в значительной мере ограничивают ресурс аппарата. 

С этого момента телескоп начинает постепенно охлаждаться, приближаясь к штатному криогенному режиму работы. На шестой день полета разворачивается штанга, несущая вторичное зеркало телескопа. Затем с тыльной стороны главного зеркала раскрывается сложенный до того радиатор, который будет рассеивать в космос энергию, вырабатываемую бортовой аппаратурой. 

На девятый день встают на место сложенные до этого времени боковые сегменты главного зеркала. На 14-й день раскрывается сборка вторичного зеркала и с этого момента телескоп готов к тонкой настройке и юстировке. Остается еще две недели до включения маневровых двигателей, которые на 29-й день полета должны вывести телескоп на целевую орбиту вокруг точки Лагранжа. 

Будем надеяться, что вся это цепочка операций пройдет без сбоев. И тогда, после еще нескольких месяцев калибровок и тестов самый дорогой научный инструмент в истории начнет свою исследовательскую работу. 

Источник: naked-science

Обновлено: 27.12.2021 — 08:57

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.